Đồ án: Nghiên cứu và tổng hợp nano silica từ tro trấu bằng phương pháp kết tủa

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu do tôi thực hiện dƣới sự hƣớng
dẫn của TS. Võ Thị Tiến Thiều.
Các kết quả và kết luận nghiên cứu trình bày trong đồ án chƣa từng đƣợc
công bố ở các nghiên cứu khác.
Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về nghiên cứu của mình.

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Thị Ngọc Thơ


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
Vũng Tàu, ngày…tháng…năm 2016
Xác nhận của giáo viên hƣớng dẫn
(Ký và ghi rõ họ tên)


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................

.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
Vũng Tàu, ngày…tháng…năm 2016
Xác nhận của giáo viên phản biện
(Ký và ghi rõ họ tên)


LỜI CẢM ƠN
Trƣớc tiên, tôi xin chân thành cảm ơn Trƣ ng
hoa

i học

à Rịa-V ng Tàu,

a ọc và Công nghệ Thực Ph m đ t o điều kiện đ tôi tham gia và hoàn

thành tốt đồ án này.

ồng th i, tôi c ng đ c biệt cảm ơn cô Thiều, ngƣ i luôn

đồng hành và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình làm đồ án, và các th y cô b môn
trong khoa đ tận tình hƣớng dẫn đ tôi hoàn thành tốt nhiệm vụ.
Trong quá trình làm đồ án, dƣới sự hƣớng dẫn của th y cô tôi đ cố gắng tìm

hi u, tiếp thu kiến thức, học h i kinh nghiệm, r n luyện tác phong làm việc và đ
trƣởng thành hơn rất nhiều.

c d đ cố gắng rất nhiều trong quá trình làm việc

nhƣng vẫn không tránh kh i những thiếu s t nhất định. Vì vậy, tôi rất mong nhận
đƣợc sự đánh giá, đ ng g p

kiến của qu th y cô trong h i đồng bảo vệ đ đồ án

này đƣợc hoàn thiện hơn.
Tôi xin chân thành cảm ơn
Vũng Tàu, ngày tháng năm 2016


Ồ ÁN TỐT NGHIỆP
MỤC LỤC
MỤC LỤC.................................................................................................................. i
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ............................................................................... iv
DANH MỤC BẢNG ..................................................................................................v
DANH MỤC HÌNH ................................................................................................. vi
1. Tính cấp thiết của đề tài ......................................................................................1
2.Tình hình nghiên cứu ...........................................................................................2
2.1.Trong nƣớc.....................................................................................................2
2.2. Ngoài nƣớc....................................................................................................2
3. Mục đích nghiên cứu ..........................................................................................3
4. Nhiệm vụ nghiên cứu ..........................................................................................3
5. Phƣơng pháp nghiên cứu ....................................................................................3
6. Cấu trúc của đồ án ..............................................................................................3
C ƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT ........................................................4

1.1. Vật liệu nano ....................................................................................................4
1.1.1. Khái niệm...................................................................................................4
1.1.2. Phân lo i vật liệu nano...............................................................................4
1.1.3. Phƣơng pháp đ tổng hợp vật liệu nano ....................................................7
1.1.3.1. Phƣơng pháp từ trên xuống (top-down) ..............................................7
1.1.3.2. Phƣơng pháp từ dƣới lên (bottom-up) .................................................8
1.1.4. M t số ứng dụng của vật liệu nano............................................................9
1.2 Silica ...............................................................................................................10

DH12HD

Page i


Ồ ÁN TỐT NGHIỆP
1.2.1. Khái niệm.................................................................................................10
1.2.2. Các d ng thù hình của silica ....................................................................11
1.2.3. Nano silica ...............................................................................................12
1.3. Tình hình nghiên cứu vật liệu silica ..............................................................12
1.3.1. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc ............................................................12
1.3.2. Tình hình nghiên cứu ngoài nƣớc ............................................................13
1.4. Các phƣơng pháp tổng hợp nano silica..........................................................14
1.4.1. Phƣơng pháp sol - gel ..............................................................................14
1.4.2. Phƣơng pháp kết tủa ................................................................................16
1.4.3. Phƣơng pháp lắng đọng hơi h a học .......................................................16
1.5. Nguyên liệu tro trấu tổng hợp nano silica .....................................................17
1.6. M t số phƣơng pháp phân tích ......................................................................19
1.6.1. Phân tích nhiễu x tia X (XRD) ..............................................................19
1.6.2. Phân tích kính hi n vi điện tử quét (SEM) ..............................................20
1.6.3. Kính hi n vi điện tử truyền qua TEM .....................................................22

1.6.4. Phổ hồng ngo i IR ...................................................................................23
C ƢƠNG 2. T ỰC NGHIỆM ...............................................................................26
2.1. Nguyên liệu, hóa chất và dụng cụ thí nghiệm ...............................................26
2.1.1. Nguyên liệu ...........................................................................................26
2.1.2. Hóa chất ...................................................................................................26
a. NaOH .........................................................................................................26
b. HCl.............................................................................................................26
c. Ethanol ........................................................................................................26
DH12HD

Page ii


Ồ ÁN TỐT NGHIỆP
2.1.3. Dụng cụ thí nghiệm .................................................................................26
2.2. Quy trình tổng hợp .........................................................................................27
C ƢƠNG 3. ẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...........................................................28
3.1. Chu n bị nguyên liệu SiO2 từ tro trấu ...........................................................30
3.2. Tổng hợp nano silica t i các th i gian phản ứng khác nhau .........................31
3.2.1. Phân tích nhiễu x tia X...........................................................................31
3.2.2. Phƣơng pháp kính hi n vi điện tử truyền qua TEM ................................34
3.2.3. Hiệu suất thu sản ph m nano silica .........................................................35
3.2.4. Kết luận ....................................................................................................35
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................................37
1.Kết luận ..............................................................................................................37
2.Kiến nghị............................................................................................................37
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................39

DH12HD

Page iii


Ồ ÁN TỐT NGHIỆP
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
RHA : Tro trấu (Rice Husk Ash)
SEM: Kính hi n vi điện tử quét (Scanning electron microscope)
TEM : Kính hi n vi điện tử truyền qua (Transmission electron microscopy)
XRD : Nhiễu x tia X (X-ray difraction)

DH12HD

Page iv


Ồ ÁN TỐT NGHIỆP
DANH MỤC BẢNG
ảng 1.1: Thành ph n oxit trong tro trấu.................................................................18
ảng 3.1: Bảng hiệu suất thu nano silica ứng với mẫu A1 A2 A3 ..........................35

DH12HD

Page v


Ồ ÁN TỐT NGHIỆP
DANH MỤC HÌNH
ình 1.1: H t nano .....................................................................................................5
ình 1.2: Ống nano ....................................................................................................5
ình 1.3: Màng m ng ................................................................................................6

ình 1.4: Nanocomposite ..........................................................................................6
ình 1.5: Phƣơng pháp từ trên xuống........................................................................8
ình 1.6: Phƣơng pháp từ dƣới lên............................................................................9
ình 1.7: Th ch anh alpha .......................................................................................11
ình 1.8: Tridimit ....................................................................................................11
ình 1.9: Cristobalit.................................................................................................11
ình 1.11: Nguyên lí t o silica bằng phƣơng pháp CVC ........................................17
ình 1.12: Hình ảnh tro trấu sau nung.....................................................................18
ình 1.13: Giảnđồ nhiễu x tia X của nano silica đƣợc tổng hợp từ v trấu nung ở
nhiệt đ 500-700oC, trong 4h ...................................................................................20
ình 1.14: Ảnh FESEM của những h t nano silica theo phƣơng pháp kết tủa ......21
ình 1.15: Ảnh SEM của nano silica theo phƣơng pháp sol-gel ...........................22
ình 1.16: Ảnh TEM của nano silica .....................................................................23
ình 1.17: Phổ IR của nano silica ..........................................................................24
ình 3.1: Giản đồ nhiễu x tia X của tro trấu nung ở 700oC trong 4h ....................30
ình 3.2: Giản đồ nhiễu x tia X của nano silica mẫu A1 ......................................31
ình 3.3: Giản đồ nhiễu x tia X của nano silica mẫu A2 ......................................32
ình 3.4: Giản đồ nhiễu x tia X của nano silica mẫu A3 ......................................32
ình 3.5: Giản đồ nhiễu x tia X của ba mẫu A1, A2, A3 và tro trấu A0 ..............33
ình 3.6: Ảnh TEM mẫu A1 ...................................................................................34
ình 3.7: Ảnh TEM mẫu A2 ...................................................................................34
ình 3.8: Ảnh TEM mẫu A3 ...................................................................................34

DH12HD

Page vi


Ồ ÁN TỐT NGHIỆP
MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay trên toàn c u, có xấp xỉ 600 triệu tấn lúa g o đƣợc sản xuất mỗi
năm. Trung bình 20% lúa g o là trấu với tổng sản lƣợng là 120 triệu tấn. Ở Việt
Nam, sản lƣợng đ u ra trung bình là 42 triệu tấn/năm, đứng thứ hai về sản xuất g o
trên thế giới [5].
Vật liệu phế ph m nông nghiệp nhƣ tro trấu có những tiềm năng, ph m vi ứng
dụng r ng rãi trong thực tiễn nhƣ làm chất đốt, vật liệu xử lí nƣớc thải.

ơn nữa,

silicat trong v trấu có th d ng đ chế t o bê tông, g ch bê tông siêu nhẹ không
nung đ sử dụng trong lĩnh vực xây dựng. G ch bê tông siêu nhẹ không nung, sau
khi chế t o c các tính năng ƣu việt nhƣ nhẹ, cách nhiệt, cách âm tốt, tính chịu
nhiệt, khả năng chịu chấn đ ng tốt, thân thiện với môi trƣ ng [1]. Vì thế, việc
nghiên cứu sản xuất silica từ v trấu là rất c n thiết. Chúng ta vừa có th tận dụng
tối đa nguồn phế ph m là tro trấu, vừa có th bảo vệ môi trƣ ng, kết hợp thêm giá
thành rẻ và hiệu quả ứng dụng cao.
c biệt silica với kích thƣớc nano thì các tính chất l i càng ƣu việt hơn. G n
đây, công nghệ nano đ và đang thu hút các nhà nghiên cứu khoa học bởi vì tính
ứng dụng r ng rãi của nó trong công nghiệp c ng nhƣ đ i sống. Việt Nam với
nguồn nguyên liệu v trấu dồi dào, nên việc sản xuất nano silica càng đƣợc quan
tâm nhiều hơn [8].
Với những lí do trên, tôi đ thực hiện nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu tổng hợp
nano silica từ tro trấu bằng phƣơng pháp kết tủa’’.

DH12HD

Page 1

Ồ ÁN TỐT NGHIỆP
2.Tình hình nghiên cứu
2.1.Trong nƣớc
M t số ít tác giả trong nƣớc đ nghiên cứu tổng hợp nano silica nhƣ Lê Văn
ải và c ng sự đ nghiên cứu tổng hợp nano silica từ v trấu [7]. Thái Hoàng và
c ng sự đ tổng hợp nanosilica và vật liệu nanocompozit EVA/silica c sử dụng
chất trợ tƣơng hợp EVAg A [4]. Nguyễn Trí Tuấn và c ng sự đ tổng hợp thành
công nano silica từ tro v trấu bằng phƣơng pháp kết tủa [1]..
2.2. Ngoài nƣớc
Nghiên cứu và tổng hợp nano silica đ và đang nhận đƣợc sự quan tâm sâu
sắc của nhiều tác giả ngoài nƣớc.
R. Yuvakkumar, V. Elango, V. Rajendran and N. Kannan. High purity nano
silica powder from rice husk using a simple chemical method (sản xuất b t nano
silica với đ tinh khiết cao từ tro trấu bằng phƣơng pháp h a học đơn giản) của
trung tâm khoa học và công nghệ nano Ấn

[12].

Majid Monshizadeh, Masound Rajabi, Mohammad Hossein Ahmadi, Vahid
Mohammadi. Department of Material Engineering and Metallurgy. Imam
Khomeini International University, Ghazvin, Iran. Synthesis and characterization
of nano SiO2 from rice husk ash by precipitation method (Tổng hợp và biến tính
nano silica từ tro trấu bằng phƣơng pháp kết tủa) [13].
Nittaya Thuadaij* and Apinon Nuntiya (2008). Preparation of nanosilica
powder from rice husk ash by precipitation method. Department of Industrial
Chemistry, Faculty of Science, Chiang Mai University, Chiang Mai 50200,
Thailand. Contributed Paper [9].

DH12HD

Page 2


Ồ ÁN TỐT NGHIỆP
3. Mục đích nghiên cứu
Tận dụng nguồn tro trấu ở huyện Tỉnh Gia, tỉnh Thanh

a đ tổng hợp vật

liệu SiO2 với kích thƣớc nano bằng phƣơng pháp kết tủa.
4. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Tổng hợp vật liệu SiO2 c kích thƣớc nano bằng phƣơng pháp kết tủa.
- Khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình tổng hợp vật liệu.
- Sử dụng các phƣơng pháp vật lý và hóa học hiện đ i đ xác định sự hình
thành pha tinh th , cấu trúc và kích thƣớc của vật liệu (XRD, SE …).
5. Phƣơng pháp nghiên cứu
Phƣơng pháp thu thập thông tin, tài liệu, và tiến hành thực nghiệm đ tổng
hợp nano silica từ tro trấu.
6. Cấu trúc của đồ án
- Tổng quan về lý thuyết.
- Thực nghiệm.
- Kết quả và thảo luận.
- Kết luận và kiến nghị

DH12HD

Page 3


Ồ ÁN TỐT NGHIỆP

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT
1.1. Vật liệu nano
1.1.1. Khái niệm
Vật liệu nano là lo i vật liệu c cấu trúc các h t, các sợi, các ống, các tấm
m ng,.. c kích thƣớc đ c trƣng khoảng từ 1 nanômét đến 100 nanômét. ây là đối
tƣợng nghiên cứu của khoa học nano và công nghệ nano, n liên kết hai lĩnh vực
trên với nhau. Tính chất của vật liệu nano bắt nguồn từ kích thƣớc của chúng. ây
là l do mang l i tên gọi cho vật liệu [25].
ích thƣớc vật liệu nano trải m t khoảng từ vài nm đến vài trăm nm phụ
thu c vào bản chất vật liệu và tính chất c n nghiên cứu [29].
1.1.2. Phân lo i vật liệu nano [25]
Vật liệu nano là vật liệu trong đ ít nhất m t chiều c kích thƣớc nanomet. Về
tr ng thái của vật liệu, ngƣ i ta phân chia thành ba tr ng thái, rắn, l ng và khí. Vật
liệu nano đƣợc tập trung nghiên cứu hiện nay, chủ yếu là vật liệu rắn, sau đ mới
đến chất l ng và khí. Về hình dáng vật liệu, ngƣ i ta phân ra thành các lo i sau:
Vật liệu nano không chiều (cả ba chiều đều c kích thƣớc nano, không còn
chiều tự do nào cho điện tử), ví dụ: đám nano, h t nano.

DH12HD

Page 4


Ồ ÁN TỐT NGHIỆP

ình 1.1: H t nano
Vật liệu nano một chiều là vật liệu trong đ hai chiều c kích thƣớc nano, điện
tử đƣợc tự do trên m t chiều (hai chiều c m t ), ví dụ: dây nano, ống nano.

ình 1.2: Ống nano

DH12HD

Page 5


Ồ ÁN TỐT NGHIỆP
Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đ m t chiều c kích thƣớc nano, hai
chiều tự do, ví dụ: màng m ng.

ình1.3: Màng m ng
Ngoài ra, còn có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite trong đ chỉ có
m t ph n của vật liệu c kích thƣớc nm, ho c cấu trúc của n c nano không chiều,
m t chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau [25].

ình1.4: Nanocomposite
DH12HD

Page 6


Ồ ÁN TỐT NGHIỆP
1.1.3. Phƣơng pháp đ tổng hợp vật liệu nano
1.1.3.1. Phƣơng pháp từ trên xuống (top-down) [26]
Nguyên lý: dùng kỹ thuật nghiền và biến d ng đ biến vật liệu th khối với tổ
chức h t thô thành cỡ h t kích thƣớc nano.

ây là các phƣơng pháp đơn giản, rẻ

tiền nhƣng rất hiệu quả, có th tiến hành cho nhiều lo i vật liệu với kích thƣớc khá

lớn (ứng dụng làm vật liệu kết cấu).
Trong phƣơng pháp nghiền, vật liệu ở d ng b t đƣợc tr n lẫn với những viên
bi đƣợc làm từ các vật liệu rất cứng và đ t trong m t cái cối. Máy nghiền có th là
nghiền lắc, nghiền rung ho c nghiền quay (còn gọi là nghiền ki u hành tinh). Các
viên bi cứng va ch m vào nhau và phá vỡ b t đến kích thƣớc nano. Kết quả thu
đƣợc là vật liệu nano không chiều (các h t nano).
Phƣơng pháp biến d ng đƣợc sử dụng với các kỹ thuật đ c biệt nhằm t o ra sự
biến d ng cực lớn (có th lớn hơn 10) mà không làm phá huỷ vật liệu. Nhiệt đ có
th đƣợc điều chỉnh tùy thu c vào từng trƣ ng hợp cụ th . Nếu nhiệt đ gia công
lớn hơn nhiệt đ kết tinh l i thì đƣợc gọi là biến d ng nóng, còn ngƣợc l i thì đƣợc
gọi là biến d ng ngu i. Kết quả thu đƣợc là các vật liệu nano m t chiều (dây nano)
ho c hai chiều (lớp có chiều dày nm).
Ngoài ra, hiện nay ngƣ i ta thƣ ng d ng các phƣơng pháp quang khắc đ t o
ra các cấu trúc nano.

DH12HD

Page 7


Ồ ÁN TỐT NGHIỆP

ình1.5: Phƣơng pháp từ trên xuống
1.1.3.2. Phƣơng pháp từ dƣới lên (bottom-up) [26]
Nguyên l : hình thành vật liệu nano từ các nguyên tử ho c ion. Phƣơng pháp
từ dƣới lên đƣợc phát tri n rất m nh mẽ vì tính linh đ ng và chất lƣợng của sản
ph m cuối c ng. Ph n lớn các vật liệu nano mà chúng ta d ng hiện nay đƣợc chế
t o từ phƣơng pháp này. Phƣơng pháp từ dƣới lên c th là phƣơng pháp vật l ,
phƣơng pháp h a học ho c kết hợp cả hai.
Phương pháp vật lý: là phƣơng pháp t o vật liệu nano từ nguyên tử

ho c chuy n pha. Nguyên tử đ hình thành vật liệu nano đƣợc t o ra từ phƣơng
pháp vật lý: bốc bay nhiệt (đốt, phún x , ph ng điện hồ quang). Phƣơng pháp
chuy n pha: vật liệu đƣợc nung nóng rồi cho ngu i với tốc đ nhanh đ thu đƣợc
tr ng thái vô định hình, xử lý nhiệt đ xảy ra chuy n pha vô định hình - tinh th
(kết tinh) (phƣơng pháp ngu i nhanh). Phƣơng pháp vật l thƣ ng đƣợc d ng đ
t o các h t nano, màng nano, ví dụ: ổ cứng máy tính.
Phương pháp hóa học: là phƣơng pháp t o vật liệu nano từ các ion. Phƣơng
pháp hóa học c đ c đi m là rất đa d ng vì tùy thu c vào vật liệu cụ th mà ngƣ i
ta phải thay đổi kỹ thuật chế t o cho phù hợp. Tuy nhiên, chúng ta vẫn có th phân
lo i các phƣơng pháp h a học thành hai lo i: hình thành vật liệu nano từ pha
l ng (phƣơng pháp kết tủa, sol-gel,...) và từ pha khí (nhiệt phân,...). Phƣơng pháp
này có th t o các h t nano, dây nano, ống nano, màng nano, b t nano,...
DH12HD

Page 8


Ồ ÁN TỐT NGHIỆP
Phương pháp kết hợp: là phƣơng pháp t o vật liệu nano dựa trên các nguyên
tắc vật lý và hóa học nhƣ: điện phân, ngƣng tụ từ pha khí,... Phƣơng pháp này c
th t o các h t nano, dây nano, ống nano, màng nano, b t nano,...

ình1.6: Phƣơng pháp từ dƣới lên
1.1.4. M t số ứng dụng của vật liệu nano [29]
Y tế là m t trong những ứng dụng lớn nhất của vật liệu nano, M t nghiên cứu
đ cho kết quả rất khả quan khi sử dụng các h t nano vàng đ chống l i nhiều lo i
ung thƣ. Các h t nano này sẽ đƣợc đƣa đến các khối u bên trong cơ th , sau đ
chúng đƣợc tăng nhiệt đ bằng tia laser hồng ngo i chiếu từ bên ngoài đ có th
tiêu diệt các khối u.
Những b vi xử l đƣợc làm từ vật liệu nano khá phổ biến trên thị trƣ ng, m t

số sản ph m nhƣ chu t, bàn phím c ng đƣợc phủ m t lớp nano kháng khu n. Pin
nano trong tƣơng lai sẽ có cấu t o theo ki u ống nanowhiskers. Cấu trúc ống này
sẽ khiến các cực của pin có diện tích bề m t lớn hơn rất nhiều l n, giúp n lƣu trữ
đƣợc nhiều điện năng hơn.
Sử dụng các nguồn năng lƣợng nhƣ gi , năng lƣợng m t tr i và với công
nghệ nano b n sẽ có th s c điện cho chiếc smartphone của mình mọi lúc mọi nơi.

DH12HD

Page 9


Ồ ÁN TỐT NGHIỆP
Hiện nay t i Việt Nam đ c m t số ứng dụng của công nghệ nano trong sản
xuất các lo i phân bón lá, thuốc trừ nấm bệnh cho cây trồng.
Trong lĩnh vực xây dựng thì vật liệu nano càng tuyệt v i hơn, chúng cung cấp
các lo i vật liệu siêu nhẹ với những đ c tính ƣu việt, giúp nâng cao chất lƣợng vật
liệu và thân thiện với môi trƣ ng.
1.2 Silica
1.2.1. Khái niệm [27]
iôxít silic là m t hợp chất h a học còn c

tên gọi khác là silica (từ

tiếng Latin silex), là m t ôxít của silic có công thức h a học là SiO2 và n c đ
cứng cao đƣợc biết đến từ th i cổ đ i. Phân tử SiO2 không tồn t i ở d ng đơn lẻ mà
liên kết l i với nhau thành phân tử rất lớn.
Silica c hai d ng cấu trúc là d ng tinh th và vô định hình. Trong tự nhiên,
silica tồn t i chủ yếu ở d ng tinh th ho c vi tinh th (th ch anh, triđimit,
cristobalit, cancedoan, đá m n o), đa số silica tổng hợp nhân t o đều đƣợc t o ra ở

d ng b t ho c d ng keo và c cấu trúc vô định hình (silica colloidal).

t số d ng

silica c cấu trúc tinh th c th đƣợc t o ra ở áp suất và nhiệt đ cao nhƣ coesit và
stishovit.
Silica đƣợc tìm thấy phổ biến trong tự nhiên ở d ng cát hay th ch anh, c ng
nhƣ trong cấu t o thành tế bào của tảo cát. N là thành ph n chủ yếu của m t số
lo i thủy tinh và chất chính trong bê tông. Silica là m t khoáng phổ biến.
Ngoài ra, Silica tự nhiên đƣợc tìm thấy trong thực vật nhƣ lúa m ch, v trấu
và tre, trong các lo i khoáng nhƣ th ch anh và đá lửa. Những h t silica đƣợc tách
ra từ những nguồn tự nhiên chứa các t p chất kim lo i mà không thích hợp cho
ngành công nghệ cao và ứng dụng trong công nghiệp. Vì vậy, việc tập trung tổng
hợp silica (silica gel, keo silica, silica kết tủa) tinh khiết ở d ng b t vô định hình
DH12HD

Page 10


Ồ ÁN TỐT NGHIỆP
khi so sánh với khoáng silica tự nhiên (th ch anh, tridymit, cristobalit) ở d ng tinh
th đang đƣợc quan tâm đ sản xuất [24].
1.2.2. Các d ng thù hình của silica [27]
Trong điều kiện áp suất thƣ ng, silica tinh th c 3 d ng thù hình chính, đ là
th ch anh, triđimit và cristobalit.

ỗi d ng th hình này l i c hai ho c ba d ng

thứ cấp: d ng thứ cấp α bền ở nhiệt đ thấp và d ng thứ cấp β nhiệt đ cao.
a d ng tinh th của silica c cách sắp xếp khác nhau của các nh m tứ diện

SiO4 ở trong tinh th . Ở th ch anh α, g c liên kết Si-O-Si bằng 150° còn ở d ng
tridimit và cristobalit thì g c liên kết Si-O-Si bằng 180°.

ình1.7: Th ch anh alpha

ình1.8: Tridimit
DH12HD

ình1.9: Cristobalit
Page 11


Ồ ÁN TỐT NGHIỆP
Trong th ch anh, những nh m tứ diện SiO44- đƣợc sắp xếp sao cho các
nguyên tử Si nằm trên m t đƣ ng xoắn ốc quay phải ho c quay trái, tƣơng ứng với
α-th ch anh và β-th ch anh. Từ th ch anh biến thành cristobalit c n chuy n g c SiO-Si từ 150° thành 180°.
Trong khi đ đ chuy n thành α-tridimit thì ngoài việc chuy n g c này còn
phải xoay tứ diện SiO44- quanh trục đối xứng m t g c bằng 180°.
1.2.3. Nano silica
Sự phát tri n m nh mẽ của công nghệ nano đ dẫn đến việc nâng cao về m t
sản xuất nano silica, SiO2 đƣợc ứng dụng r ng rãi cả trong nghiên cứu khoa học và
phát tri n kỹ thuật. Nhìn chung, vật liệu với kích thƣớc h t trong khoảng 1-100 nm
thì đƣợc định nghĩa là vật liệu nano [24, 8-10].
Nano silica, thƣ ng đƣợc gọi là "silica siêu mịn", đƣợc sử dụng r ng rãi trong
các ngành công nghiệp khác nhau nhƣ chất phụ gia, chất xúc tác hỗ trợ, hóa d u,
chất t y trắng, cao su tăng cƣ ng, phụ nhựa, mực in, chất làm đ c, kim lo i mềm,
chất đánh b ng, chất đ n cách nhiệt, mỹ ph m cao cấp đ ng g i, các lĩnh vực khác
nhau và phun vật liệu, y học, bảo vệ môi trƣ ng [28].
Ngoài ra, ứng dụng của nano silica trong lĩnh vực xây dựng là bê tông siêu
nhẹ là đối tƣợng đƣợc quan tâm nhất.

1.3. Tình hình nghiên cứu vật liệu silica
1.3.1. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc
Vật liệu SiO2 kích thƣớc micro và nano trong tro v trấu đƣợc tổng hợp và
ứng dụng làm vật liệu xây dựng là đối tƣợng nghiên cứu đƣợc quan tâm m t số ít
tác giả trong nƣớc nhƣ nhóm nghiên cứu Lê Văn

ải và c ng sự đ nghiên cứu

tổng hợp nano silica từ v trấu [7].
DH12HD

Page 12


Ồ ÁN TỐT NGHIỆP
Nano silica c kích thƣớc đồng đều đƣợc điều chế qua 2 giai đo n: đ u tiên
v trấu đƣợc xử l nhiệt đ t o thành tro trấu (R A), sau đ nano silica đƣợc t o
thành bằng phƣơng pháp sol – gel từ R A. Sản ph m thu đƣợc dƣới d ng b t
silica vô định hình c kích thƣớc trung bình khoảng 15 nm. Quy trình tổng hợp c
th ứng dụng đ sản xuất silica kích thƣớc nanomet c nguồn gốc từ chất thải nông
nghiệp là v trấu [7].
Thái

oàng và c ng sự Viện

hoa học và Công nghệ Việt Nam đ tổng hợp

nanosilica và vật liệu nanocompozit EVA/silica c sử dụng chất trợ tƣơng hợp
EVAg A tháng 2 năm 2012 T p Chí oá ọc. ằng phƣơng pháp sol-gel đ tổng
hợp đƣợc các h t nanosilica từ TEOS với xúc tác bazơ, các h t silica hình thành ở

d ng vô định hình, kích thƣớc h t trung bình khoảng 50 - 100 nm. Nanosilica làm
tăng mô đun trữ đ ng học và đ bền nhiệt của EVA. Chất tƣơng hợp EVAg A c
th cải thiện khả năng phân tán và tƣơng tác của nanosilica với nền EVA, do đ
g p ph n tăng đáng k giá trị mô đun trữ đ ng học và đ bền nhiệt của vật liệu
nanocompozit EVA/silica [4].
Nguyễn Trí Tuấn c ng sự t i trƣ ng

i

ọc C n Thơ đ tổng hợp h t nano

SiO2 từ tro v trấu bằng phƣơng pháp kết tủa. Những h t nano SiO 2 đƣợc tổng hợp
thành công từ v trấu bằng phƣơng pháp kết tủa. ết quả, những h t nano SiO 2 chế
t o đƣợc c pha vô định hình và kích thƣớc h t trung bình khoảng 15 nm [1].
1.3.2. Tình hình nghiên cứu ngoài nƣớc
R. Yuvakkumar, V. Elango, V. Rajendran and N. Kannan. High purity nano
silica powder from rice husk using a simple chemical method (sản xuất b t nano
silica với đ tinh khiết cao từ tro trấu bằng phƣơng pháp h a học đơn giản) của
trung tâm khoa học và công nghệ nano Ấn

. Trong nghiên cứu này, b t nano

silica với đ tinh khiết cao, kích thƣớc h t nh và diện tích bề m t lớn đƣợc tách
chiết từ tro trấu bằng dung dịch kiềm, theo phƣơng pháp kết tủa. àm lƣợng silica
DH12HD

Page 13


Ồ ÁN TỐT NGHIỆP

cao nhất (99.9%) đ t đƣợc ở nồng đ NaOH 2.5N, kích thƣớc h t trung bình là
25nm, diện tích bề m t riêng là 274m2g-1, đƣ ng kính mao quản trung bình là
1.46nm [12].
Majid Monshizadeh and his assistants, Synthesis and characterization of nano
SiO2 from rice husk ash by precipitation method (Tổng hợp và biến tính nano silica
từ tro trấu bằng phƣơng pháp kết tủa). B t nano silica tổng hợp từ tro trấu đƣợc
tách chiết bằng dung dịch NaO 2.5N c hàm lƣợng SiO2 cao nhất, h t nano silica
c kích thƣớc 10 - 30nm, ở d ng vô định hình [13].
Nittaya Thuadaij* and Apinon Nuntiya (2008). Preparation of nanosilica
powder from rice husk ash by precipitation method. Department of Industrial
Chemistry, Faculty of Science, Chiang Mai University, Chiang Mai 50200,
Thailand. Contributed Paper. Tác giả c ng đ trình bày các bƣớc tổng hợp nano
silica từ tro trấu bằng việc tách chiết bằng dung dịch kiềm NaOH với đƣ ng kính
h t trung bình là 5 - 10nm, diện tích bề m t riêng là 656m2/g, và nano silica ở d ng
vô định hình [9].
1.4. Các phƣơng pháp tổng hợp nano silica
1.4.1. Phƣơng pháp sol - gel
Phƣơng pháp này bao gồm thủy phân và phản ứng ngƣng tụ kết tủa alkoxides
kim lo i (Si(OR)4) nhƣ là tetraethylorthosilicate (TEOS, Si(OC2H5)4) ho c các
muối vô cơ nhƣ natri silicate Na2SiO3 trong sự hiện diện của axit HCl ho c bazơ
NH3 đ ng vai trò là xúc tác [14-16]. Quá trình tổng hợp đƣợc trình bày ở hình 1.9.

DH12HD

Page 14


Ồ ÁN TỐT NGHIỆP

TEOS + H2O +

dung môi
(xúc tác)
Thủy phân
và đông tụ
Keo silica
Già hóa
Keo silica
Làm khô và
đem nung
B t silica

ình1.10: Quá trình tổng hợp b t silica từ TEOS
Các phản ứng hóa học xảy ra trong quá trình tổng hợp h t silica bằng phƣơng
pháp sol –gel từ TOES đƣợc viết nhƣ sau [15-20]:
Thủy
phân

Si(OC2H5)4 + H2O

Si(OC2H5)3OH + C2H5OH
Ngƣng tụ
nƣớc

≡Si−O− + −O−Si≡

≡Si−O−Si≡ +

2O

Ngƣng tụ

rƣợu

≡Si−OC2H5 + −O−Si≡
DH12HD

≡ Si−O−Si≡ + C2H5OH.
Page 15