Nghiên Cứu Tổng Hợp Oxít Sắt Từ (Fe3O4), Ứng Dụng Làm Vật Liệu Hấp Phụ Kim Loại Nặng Trong Nước

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA CÔNG NGHỆ
------------

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP OXÍT SẮT TỪ
(Fe3O4), ỨNG DỤNG LÀM VẬT LIỆU HẤP
PHỤ KIM LOẠI NẶNG TRONG NƯỚC

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

SINH VIÊN THỰC HIỆN

ThS. Huỳnh Thu Hạnh

Nguyễn Lý Huỳnh
MSSV: 2063962
Ngành: Công Nghệ Hóa Học-Khóa 32

Tháng 11/2010


MỤC LỤC
----☺----

Trang
PHẦN 1. TỔNG QUAN…………………………………………………………….. 1
1. Giới thiệu sơ lược về kim loại nặng………………………………………….1
1.1. Các kim loại nặng và ảnh hưởng của chúng lên cơ thể sống hữu cơ và

con người…………………………………………………….................... 2
1.1.1. Crom…………………………………………………………..2
1.1.2. Chì………………………………………………………….....2
1.1.3. Thủy ngân……………………………………………………..3
1.1.4. Cadmi........................................................................................ 3
1.1.5. Asen……………………………………………………….......4
1.1.6. Niken......................................................................................... 4
1.1.7. Mangan………………………………………………………..5
1.2. Tiêu chuẩn cho phép của các kim loại nặng trong nước……………...5
2. Các phương pháp xử lý kim loại nặng trong môi trường nước……………... 5
2.1. Phương pháp kết tủa………………………………………………… 6
2.1.1. Cơ chế của phương pháp…………………………………….. 6
2.1.2. Quá trình oxi hóa khử………………………………………... 6
2.1.3. Quá trình kết tủa……………………………………………... 7
2.1.4. Ưu nhược điểm của phương pháp…………………………… 8
2.2. Phương pháp hấp phụ và trao đổi ion……………………………….. 9
2.2.1. Phương pháp hấp phụ………………………………………... 9
2.2.1.1. Khái niệm…………………………………………….. 9
2.2.1.2. Cơ chế quá trình hấp phụ…………………………….. 9

SVTH: Nguyễn Lý Huỳnh

1


2.2.1.3. Giới thiệu một số chất hấp phụ kim loại nặng……… 10
2.2.1.4. Ưu nhược điểm của phương pháp hấp phụ…………. 10
2.2.2. Phương pháp trao đổi ion…………………………………... 11
2.2.2.1. Cơ chế của phương pháp trao đổi ion………………. 11
2.2.2.2. Giới thiệu một số chất trao đổi ion…………………. 12

2.2.2.3. Ưu nhược điểm của phương pháp hấp phụ và trao đổi
ion…………………………………………………………… 13
3. Oxít sắt từ (Fe3O4)……………………………………………………….. 14
3.1. Vật liệu nano……………………………………………………… 14
3.2. Oxít sắt từ ( Fe3O4) dạng thường…………………………………. 14
3.2.1. Tính chất vật lý……………………………………………. 15
3.2.2. Tính chất hóa học…………………………………………. 15
3.2.2.1. Tác dụng với axít…………………………………... 15
3.2.2.2. Tác dụng với oxy…………………………………... 16
3.2.2.3. Tác dụng với các chất khử thông thường như: C, CO,
H2, Al………………………………………………………… 16
3.2. Oxít sắt từ (Fe3O4) dạng Nano……………………………………. 16
4. Các phương pháp điều chế nano oxít sắt từ (Fe3O4)…………………….. 18
4.1. Điều chế oxít sắt từ Fe3O4 kích thước hạt nano bằng phương pháp
nghiền…………………………………………………………………… 18
4.2. Điều chế oxít sắt từ Fe3O4 kích thước hạt nano bằng phương pháp
điện hóa…………………………………………………………………. 18
4.3. Điều chế oxít sắt từ Fe3O4 kích thước hạt nano bằng phương pháp
hóa học………………………………………………………………….. 18
4.3.1. Nguyên tắt chung…………………………………………. 19
4.3.2. Phân loại…………………………………………………... 19
4.3.2.1. Nhóm nhiệt phân muối sắt (III) hữu cơ………….... 19
4.3.2.2. Nhóm oxy hóa muối sắt (II)………………………. 20
4.3.2.3. Nhóm khử muối sắt (III) (khử bằng pyrrolidone)… 22

SVTH: Nguyễn Lý Huỳnh

2

4.3.2.4. Nhóm đồng kết tủa muối sắt (II) và sắt (III)………. 22
4.4. Điều chế Fe3O4 bằng phương pháp đồng kết tủa…………………. 25
4.4.1. Nguyên tắc tạo Fe3O4……………………………………... 25
4.4.2. Cơ chế phản ứng…………………………………………... 26
4.4.3. Cơ chế hình thành tinh thể………………………………… 27
4.4.3.1. Sự tạo mầm………………………………………... 27
4.4.3.2. Sự tạo hạt………………………………………….. 28
4.4.3.3. Sự làm già hạt……………………………………... 28
5. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm…………………………. 30
6. Phương pháp, kỹ thuật áp dụng trong nghiên cứu……………………….. 31
6.1. Phương pháp đánh giá sơ bộ…………………………………........ 31
6.1.1. Cảm quan………………………………………………….. 31
6.1.2. pH sau phản ứng…………………………………………... 31
6.1.3. Tỷ lệ mol Fe2+/Fe3+………………………………………... 31
6.1.4. Phân tích đo kích cở hạt…………………………………… 31
6.2. Phương pháp đánh giá đầy đủ…………………………………….. 32
6.2.1. Cấu trúc Fe3O4…………………………………………….. 32
6.2.2. Kích thước hạt……………………………………….......... 32
6.2.3. Hiệu suất chung…………………………………………… 32
7. Ứng dụng của vật liệu nano Fe3O4………………………………………

33

7.1. Làm vật liệu hấp phụ để tách loại ion kim loại nặng (Mn2+) trong
dung dịch nước………………………………………………………….. 33
7.1.1. Cơ chế quá trình hấp phụ của vật liệu nano oxít sắt từ
(Fe3O4)…………………………………………………………….. 33
7.1.2. Nhiệt động học của quá trình hấp phụ……………………

33

7.1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ ion kim loại
nặng (Mn2+)……………………………………………………….. 33
7.1.3.1. Ảnh hưởng của pH……………………………….

33

7.1.3.2. Ảnh hưởng của thời gian………………………….

33

SVTH: Nguyễn Lý Huỳnh

3


7.1.3.3. Ảnh hưởng của kích thước hạt, điều kiện khuấy
trộn…………………………………………………………… 34
7.1.3.4. Ảnh hưởng của tỷ lệ khối lượng chất bị hấp phụ và thể
tích dung dịch hấp phụ…………………………………...
34
7.2. Các ứng dụng khoa học quan trọng khác của vật liệu Nano
Fe3O4…………………………………………………………………… 34
PHẦN 2. THỰC NGHIỆM……………………………………………………… 35
1. Hóa chất – thiết bị - dụng cụ………………………………………………..35
1.1. Hóa chất……………………………………………………………..35
1.2. Thiết bị và dụng cụ…………………………………………………. 35
2. Tổng hợp oxít sắt từ (Fe3O4)……………………………………………… 36
2.1. Quy trình tổng hợp Fe3O4…………………………………………. 36
2.2. Mô tả quy trình…………………………………………………….. 37

2.3. Tiến hành thí nghiệm……………………………………………… 38
2.3.1. Thí nghiệm 1: Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ ở 25oC với tốc độ thêm dung
dịch NH3 2ml/phút cho đến hết 180ml…………
38
2.3.2. Thí nghiệm 2: Khảo sát ảnh hưởng khi thực hiện ở 80oC với
tốc độ thêm dung dịch NH3 2ml/phút cho đến hết 180ml………… 38
2.3.3. Thí nghiệm 3: Khảo sát ảnh hưởng khi thực hiện ở 25oC x
80ml đầu và ở 80oC x 100ml còn lại với tốc độ thêm dung dịch NH3
2ml/phút cho đến hết 180ml………………………………………. 38
2.3.4. Thí nghiệm 4: Khảo sát ảnh hưởng khi thực hiện ở 25oC x
80ml đầu và ở 80oC x 100ml còn lại với tốc độ thêm dung dịch NH3
lần lược là 2ml/phút x 80ml đầu và 180ml/phút x 100ml còn lại….39
2.3.5. Phân tích đánh giá………………………………………….. 39
2.4. Thí nghiệm xác định hiệu suất thu hồi sản phẩm …………………. 40
2.4.1. Sơ đồ qui trình……………………………………………… 40
2.4.2. Thuyết minh……………………………………………….. 40
2.4.3. Xác định hiệu suất thu hồi sản phẩm………………………. 41
2.4.3.1. Nguyên tắc………………………………………….. 41

SVTH: Nguyễn Lý Huỳnh

4


2.4.3.2. Thực hiện…………………………………………… 41
2.4.3.3. Tính kết quả………………………………………… 42
3. Các phương pháp phân tích hóa lý………………………………………. 42
3.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)………………………………. 42
3.2. Kính hiển vi điện tử quét (SEM)………………………………….. 43
3.3. Kích thước hạt…………………………………………………….. 43

3.4. Phương pháp quang phổ UV – Vis……………………………….. 43
3.4.1. Nguyên tắc………………………………………………… 44
3.4.2. Định luật về hấp thụ ánh sáng ( Định luật Lambert – Beer). 44
3.4.3. Phương pháp trắc quang phân tích mangan……………….. 45
4. Khảo sát khả năng hấp phụ ion Mn2+ trong nước bằng vật liệu Fe3O4…. 46
4.1. Quy trình hấp phụ Mn2+……………………………………...…… 46
4.2. Tiến hành thí nghiệm………………………………...…………… 47
4.2.1. Xây dựng đường chuẩn xác định Mn2+…………………… 47
4.2.2. Xác định thời gian đạt cần bằng hấp phụ…………………. 48
4.2.3. Ảnh hưởng của nông độ Mn2+ đến khả năng hấp phụ……. 49
4.2.4. Ảnh hưởng của khối lượng Fe3O4 đến khả năng hấp phụ... 49
4.2.5. Ảnh hưởng của môi trường pH đến khả năng hấp phụ…... 49
PHẦN 3. KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN………………………………………….. 50
1. kết quả tổng hợp oxít sắt từ Fe3O4………………………………………….50
1.1. Thí nghiệm 1……………………………………………………….. 50
1.1.1. Nhận xét…………………..………………………………… 50
1.1.2. Biện luận……………………………………………….…… 50
1.2. Thí nghiệm 2……………………………….………………………. 51
1.2.1. Nhận xét…………………………………………………….. 51
1.2.2. Biện luận……………………………………………………. 52
1.3. Thí nghiệm 3 ………………………………………………………. 53
1.3.1. Nhận xét………………………………………..…………… 53

SVTH: Nguyễn Lý Huỳnh

5


1.3.2. Biện luận……………………………………………………. 54
1.4. Thí nghiệm 4………………………………………………………...55

1.4.1. Nhận xét…………………………………………………….. 55
1.4.2. Biện luận……………………………………………………. 56
1.5. Kết quả phân tích đánh giá…………………………………………. 56
2. Kết quả hiệu suất thu hồi sản phẩm…………………………..…………… 56
3. Kết quả các phương pháp phân tích hóa lý………………………………. 57
3.1. Kết quả nghiên cứu nhiễu xạ tia X………………….……………. 57
3.2. Kết quả chụp SEM………………………………………………... 59
3.3. Kết quả đo cở hạt…………………………………………………. 59
4. Kết quả khảo sát khả năng tách loại ion Mn 2+ trong nước bằng vật liệu
Fe3O4…………………………………………………………………………. 60
4.1. Kết quả xây dựng đường chuẩn của Mn2+………………………... 60
4.2. Kết quả xác định thời gian đạt cân bằng hấp phụ………………… 61
4.3. Kết quả ảnh hưởng của nông độ Mn2+ đến khả năng hấp phụ……. 62
4.4. Ảnh hưởng của khối lượng Fe3O4 khả năng hấp phụ…………….. 63
4.4. Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ……………………….. 64
PHẦN 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ…………………………………………. 65
1. KẾT LUẬN………………………………………………………………... 65
2. KIẾN NGHỊ………………………………………………………………. 65

SVTH: Nguyễn Lý Huỳnh

6


LỜI MỞ ĐẦU
------☺-----Trong một vài thập kỷ gần đây, cùng với sự phát triển nhanh chóng của đất
nước, ngành công nghiệp Việt Nam đã có những tiến bộ không ngừng cả về số
lượng và chất lượng sản phẩm cũng ngày càng được cải thiện. Ngành công nghiệp
phát triển đã đem lại cho nhân dân những hàng hóa rẻ hơn mà chất lượng không
thua kém so với hàng ngoại nhập. Bên cạnh những tác động tích cực do ngành công

nghiệp mang lại thì cũng phải kể đến những tác động tiêu cực. Một trong những mặt
tiêu cực đó là các loại chất thải do các ngành công nghiệp thải ra ngày càng nhiều
làm ảnh hưởng đến môi trường sống và sức khoẻ của người dân. Hầu hết các hồ, ao
sông, ngòi đi qua các nhà máy công nghiệp ở Việt Nam đều bị ô nhiễm đặc biệt là
các ao, hồ trong các đô thị lớn như Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh. Một trong
những nguyên nhân làm ô nhiễm nghiêm trọng nguồn nước ở Việt Nam là nước thải
công nghiệp có chứa kim loại nặng như: thủy ngân, chì, kẽm, đồng, crôm, nikel,
mangan... ảnh hưởng của các kim loại này gây ra rất lớn (ngay cả khi chúng ở nồng
độ rất thấp) do độc tính cao và khả năng tích luỹ lâu dài trong cơ thể sống.
Tác động của kim loại nặng tới môi trường sống là rất lớn, tuy nhiên hiện nay
ở Việt Nam việc xử lý các nguồn nước thải chứa kim loại nặng từ các nhà máy vẫn
chưa có sự quan tâm đúng mức. Bởi các nhà máy ở Việt Nam thường có quy mô
sản xuất vừa và nhỏ do vậy khả năng đầu tư vào các hệ thống xử lý nước thải là hạn
chế. Hầu hết các nhà máy chưa có hệ thống xử lý hoặc hệ thống xử lý quá sơ sài do
vậy nồng độ kim loại nặng của các nhà máy thải ra môi trường đều vượt quá tiêu
chuẩn cho phép.
Trước hiện trạng trên, đòi hỏi phải có những phương pháp thích hợp, hiệu quả
để xử lý kim loại nặng nhằm tránh và hạn chế những tác động xấu của nó đến môi
trường và sức khỏe cộng đồng. Chính vì vậy đã thúc đẩy tôi thực hiện đề tài
“Nghiên cứu tổng hợp oxít sắt từ (Fe3O4), ứng dụng làm vật liệu hấp phụ kim
loại nặng trong nước”. Vật liệu Fe3O4 được tổng hợp bằng phương pháp đồng kết
tủa kết hợp với sóng siêu âm và được phân tích bằng các phương pháp hóa lý như:
nhiễu xạ tia X, chụp SEM, xác định kích cở hạt. Qua đó, ứng dụng xử lý kim loại
nặng trong nước và có thể ứng dụng trong lĩnh vực y sinh học.

SVTH: Nguyễn Lý Huỳnh

7

Phần 1. TỔNG QUAN

1. Giới thiệu sơ lược về kim loại nặng [1]
Kim loại nặng là những kim loại có khối lượng riêng lớn hơn 5g/cm3. Các kim
loại quan trọng nhất trong việc xử lý nước là Zn, Cu, Pb, Cd, Hg, Ni, Cr, As, Mn...
Một vài các kim loại trong số này có thể cần thiết cho cơ thể sống (bao gồm động
vật, thực vật, các vi sinh vật) khi chúng ở một hàm lượng nhất định như Zn, Cu, Fe,
Mn... Tuy nhiên khi ở một lượng lớn hơn hoặc nhỏ hơn nó sẽ trở nên độc hại.
Những nguyên tố như Pb, Cd, Ni khi đi vào cơ thể động vật, thực vật và con người
ngay cả ở dạng vết cũng có thể gây độc hại.
Trong tự nhiên, kim loại nặng tồn tại trong ba môi trường: môi trường khí,
môi trường nước và môi trường đất.
Trong môi trường khí thì các kim loại nặng thường tồn tại ở dạng hơi kim loại.
Các hơi kim loại này phần lớn là rất độc, có thể đi vào cơ thể con người và động vật
khác qua đường hô hấp. Từ đó gây ra nhiều bệnh nguy hiểm cho con người và động
vật.
Trong môi trường đất thì các kim loại nặng thường tồn tại dưới dạng kim loại
nguyên chất, các khoáng kim loại, hoặc các ion... Kim loại nặng có trong đất dưới
dạng ion thường được cây cỏ, thực vật hấp thụ làm cho các thực vật này nhiễm kim
loại nặng… Và nó có thể đi vào cơ thể con người và động vật thông qua đường tiêu
hóa khi người và động vật tiêu thụ các loại thực vật này.
Trong môi trường nước thì kim loại nặng tồn tại dưới dạng ion hoặc phức
chất... Trong ba môi trường thì môi trường nước là môi trường có khả năng phát tán
kim loại nặng đi xa nhất và rộng nhất. Trong những điều kiện thích hợp kim loại
nặng trong môi trường nước có thể phát tán vào môi trường đất hoặc khí. Kim loại
nặng trong nước làm ô nhiễm cây trồng khi các cây trồng này được tưới bằng nguồn
nước có chứa kim loại nặng hoặc đất trồng cây bị ô nhiễm bởi nguồn nước có chứa
kim loại nặng đi qua nó. Do đó kim loại nặng trong môi trường nước có thể đi vào
cơ thể con người thông qua con đường ăn hoặc uống.
Với các ion có điện tích là +1 (các kim loại kiềm), lực tương tác giữa chúng

với các proton lớp vỏ không đủ để tách proton này ra. Do vậy các ion kim loại có
điện tích +1 chỉ tồn tại ở trạng thái hiđrat hóa.
Với các ion có điện tích là +2 thì lực tương tác có mạnh hơn, tuy nhiên nó chỉ
có khả năng đẩy proton ra ở vùng pH cao (tức là các phân tử nước xung quanh có
khả năng tiếp nhận proton cao), ở trong nhóm này thì các ion kim loại có kích thước
SVTH: Nguyễn Lý Huỳnh

8


nhỏ, mật độ điện tích lớn có khả năng đẩy các proton và tạo thành các hiđroxit kim
loại.
M2+. 6H2O = M2+.OH.5H2O + H+

(I.1)

M2+.OH.5H2O = M(OH)2.4H2O +H+

(I.2)

Đối với các ion kim loại có điện tích là +3, lực tương tác của chúng đủ mạnh
để tách cả 3 proton ở điều kiện pH trung hòa, thậm chí có thể tách được cả proton
thứ tư khi ở pH cao, ví dụ như sắt (III) ở pH > 8,5.
Fe3+. 6H2O  FeOH2+.5H2O  FeOH2+. 4H2O  Fe(OH)3.3H2O 
Fe(OH)4 -.2H2O
(I.3)
Đối với các ion có điện tích là 4 hay cao hơn, việc tách các proton ra hết sức
dễ dàng, chúng có thể tách cả 2 proton trong một phân tử nước và tạo thành các
phức oxo: Cr2O72-, CrO42-, MnO4- ...
1.1. Các kim loại nặng và ảnh hưởng của chúng lên cơ thể sống hữu cơ và con

người[1]
1.1.1. Crom
CTHH : Cr (Cr3+, Cr6+)
Crom nói chung được biết đến trong trang trí của các sản phẩm mạ crom. Tuy
nhiên, crom ở dạng kim loại là chất không độc hại, chỉ các hợp chất của crom dưới
dạng ion Cr3+, Cr6+ mới có độc tính. Trong môi trường nước, crom chủ yếu xuất
hiện dưới dạng Cr3+, Cr6+ hoặc dưới dạng các hợp chất CrO42- (pH >7) Cr2O72- (pH
7). Crom cũng được sử dụng trong các quá trình sản xuất như : Tạo màu, nhuộm,
mạ kim loại, ngành công nghiệp hóa chất,…
Crom khi ở nồng độ nằm ngoài khoảng cho phép đi vào cơ thể con người thì
người nhiễm độc sẽ cảm thấy có vị kim loại, ớn lạnh, đau cơ. Crom được tích lũy
trong gan thận, gây tổn thương gan thận và làm tổn thương các cơ quan khác.
1.1.2. Chì
CTHH: Pb (Pb 2+)
Hàm lượng chì trong vỏ trái đất 10-20 mg/kg. Trong nước ngầm và nước mặt
nồng độ của chì không vượt quá 10 g/l. Trong không khí lượng chì đưa vào khí
quyển khoảng: 330.000 tấn/năm, trong đó 80-90% bắt nguồn từ chất phụ gia akyl
chì. Các nguồn thải chính có mặt chì như: khai thác quặng có chứa chì, luyện kim,
sản xuất pin hay acquy, sử dụng xăng có pha chì, thuốc trừ sâu có sử dụng Pb…

SVTH: Nguyễn Lý Huỳnh

9


Các tác động của chì lên quá trình sinh hóa, đặc biệt lên quá trình tổng hợp
heme cả ở người lớn và trẻ em gây bệnh thiếu máu, ảnh hưởng đến hệ thần kinh, hệ
sinh sản. Chì tích luỹ trong xương, mề và máu. Trẻ em dễ bị ngộ độc chì hơn người
lớn vì cơ thể của trẻ em hấp thụ chì dễ dàng hơn và ít có khả năng đào thải chúng .
1.1.3. Thủy ngân

CTHH : Hg.(Hg+, Hg2+)
Thủy ngân tự nhiên chủ yếu do quá trình thoát khí của vỏ trái đất và sự phun
trào núi lửa. Thủy ngân có nguồn gốc tự nhiên đưa vào môi trường 2700-6000
tấn/năm. Hàng năm thế giới khai thác khoảng 10.000 tấn thủy ngân kim loại. Trong
quá trình khai thác một phần thủy ngân bị mất trong môi trường và có phần thải trực
tiếp vào khí quyển. Một số các nguồn sau cũng đóng góp vào ô nhiễm môi trường
do thủy ngân như: luyện quặng kim loại sunfit, tinh luyện vàng, sản xuất xi măng,
thiêu chất thải rắn,…
Trong cơ thể người và một số loài động vật khác thì thường là xảy ra các quá
trình biến đổi Hg trong cơ thể như: oxi hóa Hg kim loại thành Hg2+, methyl hóa
thủy ngân vô cơ thành metyl thủy ngân (CH3-Hg)+, các muối Hg dễ dàng chuyển
hóa thành metyl thủy ngân do các vi khuẩn yếm khí tạo mêtan gây nên. Ion Hg2+ kết
hợp với gốc SH- trong các enzim, trong các amino axit có chứa S và các protein gây
trở ngại và kìm hãm hoạt động của các enzim. Trong các hợp chất của Hg2+ thì
CH3-Hg là chất gây độc nhất, sở dĩ CH3-Hg có độc tính cao vì nó có khả năng hòa
tan trong các mô mỡ, tích tụ trong các mô mỡ, não tủy do đó nguy hiểm cho hệ thần
kinh. CH3-Hg có khả năng di chuyển qua màng sinh học (Hg2+ trong các hợp chất
khác không có khả năng này) gây bệnh: phân liệt thần kinh, giảm trí tuệ, mất trí
nhớ, gây chứng co giật và gây nhiều rối loạn không phục hồi được ở hệ thần kinh
trung ương, phá vỡ các nhiễm sắc thể, phân lập các nhiễm sắc thể và ngăn cản phân
chia tế bào.
1.1.4. Cadmi
CTHH: Cd (Cd 2+ )
Cd có trong khoáng vật chứa các kim loại khác đặc biệt là kẽm. Cadmi có
trong các nham thạch của núi lửa. Cadmi được sử dụng trong các hoạt động sản
xuất và sinh hoạt của con người: công nghiệp mạ, luyện kim, lọc dầu, khai thác
quặng, điện tử, sản xuất pin hay acquy, …
Cd thâm nhập vào cơ thể qua con đường hô hấp và ăn, uống vào cơ thể Cd tồn
tại ở dạng Cd2+ liên kết với các protein tạo thành metalthionein rồi được giữ lại
trong thận khoảng 1% và thải ra ngoài khoảng 99%. Phần còn lại này được tích luỹ

SVTH: Nguyễn Lý Huỳnh

10


tăng dần theo tuổi và đến một lúc nào đó lượng Cd2+ này đủ lớn có thể thay thế Zn2+
trong các enzim và gây ra rối loạn trao đổi chất. Ở nồng độ cao Cd gây các bệnh
thiếu máu, đau thận và phá hủy tủy xương. Nồng độ ngưỡng của Cd gây tác hại thận
là 0,2 mg/l.
1.1.5. Asen
CTHH: As (As3+, As5+)
Trong vỏ trái đất nồng độ Asen trung bình khoảng từ 2-10 mg/kg nằm trong
thành phần nhiều loại khoáng, quặng như photphat và khoáng As2S3, FeAsS,
As2O3...Các nguồn phát sinh ra chất thải có chứa Asen là: tinh luyện quặng, sản
xuất năng lượng, sản xuất ximăng, thuốc trừ sâu có chứa Asen,…
Trong môi trường nước Asen thường tồn tại ở dạng muối Asenat(AsO43-) hoặc
Asenic(AsO33-). Trong sinh quyển Asen thường tồn tại ở dạng asenmetyl do chuyển
hóa sinh học.
Trong các hợp chất thì As(III) là hợp chất có độc tính nhất. As(III) tấn công
vào nhóm -SH của các enzim làm cản trở hoạt động của các enzim này.
Đặc biệt là các enzim sản sinh năng lượng của tế bào do đó quá trình tổng hợp
ATP bị cản trở. Do có tính chất tương tự so với phốtpho do vậy asen can thiệp vào
một số quá trình sinh hóa làm rối loạn quá trình phát triển của sinh học. As(III) ở
nồng độ cao làm đông tụ các protein.
Asen khi đi vào cơ thể người gây rối loạn quá trình sinh hóa trong cơ thể
người, nếu ở nồng độ cao có thể gây ra bệnh ung thư hoặc quái thai đối với các bào
thai.
1.1.6. Niken
CTHH: Ni (Ni2+)
Trong tự nhiên niken thường phát sinh từ các nguồn như sau: từ các nham

thạch của núi lửa, từ các muối ở biển,từ các vụ cháy rừng. Nước thải chứa Niken
chủ yếu có nguồn gốc từ nước thải mạ điện, trong công nghiệp mạ điện niken
thường tồn tại chủ yếu dưới dạng muối niken sunfat, clorua, hay citrat. Ngoài ra
Niken còn có trong một số các ngành công nghiệp sau: sản xuất pin hay acquy,
luyện kim, công nghiệp dầu mỏ và các sản phẩm từ dầu mỏ
Đối với cơ thể người tiếp xúc lâu dài với niken gây ra hiện tượng viêm da và
có thể xuất hiện dị ứng ở một số người. Ngộ độc niken qua đường hô hấp gây khó
chịu và buồn nôn, đau đầu, nếu kéo dài sẽ ảnh hưởng tới phổi, hệ thần kinh trung
ương, gan và thận. Chất hữu cơ nikel cacbonyl có độc tính cao và gây ung thư.
SVTH: Nguyễn Lý Huỳnh

11


Niken có độc tính cao với cá, nồng độ niken trên 0,03 mg/l gây tác hại cho các
cơ thể sống bậc thấp trong nước.
1.1.7. Mangan
CTHH: Mn ( Mn2+, Mn4+, Mn7+)
Mangan được tìm thấy trong tự nhiên ở dạng tự do (đôi khi kết hợp với sắt) và
trong một số loại khoáng vật. Mangan là kim loại quan trọng được sử dụng nhiều
trong các ngành cộng nghiệp như: công nghiệp luyện kim, công nghiệp nhuộm, sản
xuất pin hay acqui, sản xuất phân bón và thuốc trừ sâu.
Xét về mặt dinh dưỡng mangan là nguyên tố vi lượng, nhu cầu dinh dưỡng
mỗi ngày từ 30-50 µg/kg trong lượng cơ thể con người. Nhưng nếu hàm lượng lớn
mangan gây độc mạnh với nguyên sinh chất của tế bào, đặc biệt là tác động lên hệ
thần kinh trung ương, gây tổn thương thận và bộ máy tuần hoàn, phổi, ngộ độc nặng
dẫn đến tử vong.

1.2. Tiêu chuẩn cho phép của các kim loại nặng trong nước
Bảng 1.1. Một số các kim loại nặng và tiêu chuẩn cho phép (theo TCVN 54951995)[3]

Tên kim loại

Khối lượng phân tử
(đ.v.c)

Khối lượng riêng
(g/cm3)

Tiêu chuẩn cho
phép (mg/l)

Crom (Cr)

51,996

7,150

0,05

Chì (Pb)

207,200

11,340

0,05

Thủy ngân (Hg)

200,590

15,600

0,001

Cadmi (Cd)

112,411

8,650

0,005

Arsen (As)

74,922

5,727

0,05

Niken (Ni)

58,693

8,908

0,2

Mangan (Mn)

54,938

7,210

0,5

2. Các phương pháp xử lý kim loại nặng trong môi trường nước
Có nhiều phương pháp xử lý kim loại nặng trong môi trường nước như:
phương pháp kết tủa, phương pháp sinh học, phương pháp điện hóa, phương pháp
SVTH: Nguyễn Lý Huỳnh

12


hấp phụ và trao đổi ion. Trong quyển luận văn này chúng tôi chỉ giới thiệu 2
phương pháp quan trọng, và có nhiều ưu điểm hơn đó là phương pháp kết tủa và
phương pháp hấp phụ và trao đổi ion.
2.1. Phương pháp kết tủa [1]
2.1.1. Cơ chế của phương pháp
Mn+ + Am- = MmAn(kết tủa)

(2.1)

[M]m. [A]n > Tt MA

(2.2)

Mn+: ion kim loại nặng
Am-: tác nhân gây kết tủa.

Tt: tích số tan.
Trong phương pháp này người ta có thể sử dụng nhiều các nhân để tạo kết tủa với
kim loại như: S2-, SO42-, PO43-, Cl-, OH- ...
Đối với mỗi kim loại khác nhau có pH thích hợp để kết tủa khác nhau tùy thuộc vào
khả năng tạo kết tủa của M(OH)n và tùy thuộc vào nồng độ các kim loại có trong nước thải
cần xử lý.

2.1.2. Quá trình oxi hóa khử
Để xử lý kim loại nặng trong nước bằng phương pháp kết tủa có hiệu quả thì
ta cần phải chuyển các kim loại khó kết tủa với tác nhân làm kết tủa và có tính cực
độc về dạng dễ kết tủa hơn và ít độc hơn.
* Cơ chế
M (hóa trị n) + tác nhân oxi hóa (khử) = M(hóa trị m) + chất mới (nếu có)
M: kim loại dưới dạng hợp chất hoặc ion.
* Các tác nhân sử dụng phải thỏa mãn các yêu cầu
+ Có tính oxi hóa hoặc khử đảm bảo có thể chuyển hóa hết được kim loại về
dạng mong muốn.
+ Không tạo ra các chất mới có độc tính hoặc khó xử lý.
+ Kim loại sau quá trình phải ở dạng phù hợp, dễ xử lý cho quá trình tiếp theo
(quá trình tạo kết tủa).
+ Các tác nhân dễ kiếm, dễ sử dụng và rẻ tiền.
+ Càng tạo ra ít chất mới càng tốt.

SVTH: Nguyễn Lý Huỳnh

13


2.1.3. Quá trình kết tủa
Sau khi đã dùng phương pháp để chuyển các kim loại về dạng dễ xử lý và ít

độc hơn thì ta tiến hành phương pháp kết tủa.
* Kết tủa dùng OH
Ở một vùng pH nhất định (pH >7) các kim loại kết hợp với OH- tạo thành các
hiđroxit kim loại kết tủa:
Cd2+ + 2OH- = Cd(OH)2

(2.3)

Ni2+ + 2OH- = Ni (OH)2

(2.4)

Cr3+ + 3OH- = Cr (OH)3

(2.5)

Nguyên tắc để tạo kết tủa là [Mn+].[OH-]n > Tt M(OH)n.
Bảng I.2. pH tại điểm bắt đầu kết tủa của các kim loại
Ion

pH

Ion

pH

Fe (+3)

2,0

Cd (+2)

6,7

Cu (+2)

5,3

Co (+2)

6,9

Cr (+3)

5,3

Zn (+2)

7,0

Fe (+2)

5,5

Mg (+2)

7,3

Pb (+2)

6,0

Mn (+2)

8,5

Ni (+2)

6,7

Ag (+)

9

pH trong quá trình phải đảm bảo để quá trình có thể tạo kết tủa dễ dàng, thuận
lợi. Để tạo pH > 7 ta có thể dùng các chất có tính kiềm như NaOH, KOH,
Ca(OH)2...
*Kết tủa Sunfit
Cd2+ + S 2- = CdS 

(2.6)

Ni2+ + S 2- = NiS 

(2.7)

Pb2+ + S 2- = PbS 

(2.8)

Tương tự như kết tủa dùng OH để tạo kết tủa thì [Mn+]2.[S2-]n > Tt MSn/2 nếu n chia
hết cho 2, ngược lại thì [Mn+]2.[S]n >TtM2Sn

SVTH: Nguyễn Lý Huỳnh

14


Hình 1.1. Khả năng hòa tan của hiđroxit kim loại theo pH
Nhìn trên đồ thị trên ta thấy các kim loại thường kết tủa cực đại ở pH = 9-11.
Khi pH tăng quá khoảng này thì độ kết tủa giảm do các kim loại này có thể tạo phức
khi ở mức pH cao, tức là nồng độ kiềm cao (phức này có thể là phức của ion kim
loại với một chất khác không phải chỉ với OH-)
Zn(OH)2 + 2OH- = [Zn(OH)4]2-

(2.9)

Cu(OH)2 + 2OH- = [Cu(OH)4]2-

(2.10)

2.1.4. Ưu nhược điểm của phương pháp
* Ưu điểm
+ Đơn giản, dễ sử dụng
+ Rẻ tiền, nguyên vật liệu dễ kiếm
+ Chất lượng nước sau xử lý đáp ứng được chất lượng TCVN 5495- 1995
+ Xử lý được cùng lúc nhiều kim loại
+ Xử lý được nước thải đối với các nhà máy có quy mô lớn
* Nhược điểm
+ Với nồng độ kim loại cao thì phương pháp này xử lý không triệt để

+ Tạo ra bùn thải kim loại.
+ Tốn kinh phí như vận chuyển, chôn lấp khi đưa bùn thải đi xử lý
+ Khi sử dụng tác nhân tạo kết tủa là OH- thì khó điều chỉnh pH đối với nước
thải có chứa kim loại nặng lưỡng tính Zn.

SVTH: Nguyễn Lý Huỳnh

15


2.2. Phương pháp hấp phụ và trao đổi ion [1]
2.2.1. Phương pháp hấp phụ
2.2.1.1. Khái niệm
Hấp phụ là quá trình hút khí (hơi) hoặc chất hòa tan trong chất lỏng lên bề mặt
chất rắn xốp. Chất khí (hơi) được gọi là chất bị hấp phụ, chất rắn xốp dung để hút
khí (hơi) gọi là chất hấp phụ và những chất không bị hấp phụ gọi là khí trơ.[7]
Phương pháp hấp phụ là một trong những phương pháp phổ biến nhất trong xử
lý nước thải nói chung và nước thải chứa kim loại nặng nói riêng. Phương pháp hấp
phụ được sử dụng khi xử lý nước thải chứa các hàm lượng chất độc hại không cao.
Quá trình hấp phụ kim loại nặng xảy ra giữa bề mặt lỏng của dung dịch chứa kim
loại nặng và bề mặt rắn.
Hiện nay người ta đã tìm ra nhiều loại vật liệu có khả năng hấp phụ kim loại
nặng như: than hoạt tính, than bùn, các loại vật liệu vô cơ như oxit sắt (FeO, Fe2O3,
Fe3O4), oxit mangan, tro bay, xỉ than, bằng các vật liệu polyme hóa học hay polyme
sinh học.
2.2.1.2. Cơ chế quá trình hấp phụ
Trong hấp phụ thường diễn ra 2 kiểu hấp phụ:
- Hấp phụ vật lý: được thực hiện bởi các tương tác yếu và thuận nghịch giữa
các phân tử và các tâm hấp phụ trên bề mặt than hoạt tính.
- Hấp phụ hóa học: được thực hiện bởi các liên kết hóa học.

+ Quá trình hấp phụ vật lý đối với chất hấp phụ và các ion kim loại nặng trong
nước thường xảy ra nhờ lực hút tĩnh điện giữa các ion kim loại này với các tâm hấp
phụ. Mối liên kết này thường yếu và không bền. Tuy nhiên chính vì yếu do vậy quá
trình giải hấp phụ để hoàn nguyên vật liệu hấp phụ và thu hồi các kim loại diễn ra
thuận lợi.
+ Quá trình hấp phụ hóa học xảy ra nhờ các phản ứng tạo liên kết hóa học giữa
ion kim loại nặng và các nhóm chức của tâm hấp phụ, thường là các ion kim loại
nặng phản ứng tạo phức đối với các nhóm chức trong chất hấp phụ. Mối liên kết
này thường là rất bền và khó bị phá vỡ, do vậy rất khó cho quá trình giải hấp phụ.
+ Tái sinh chất hấp phụ: Khi chất hấp phụ đã bão hòa người ta tiến hành nhả
hấp thụ để tái sinh vật liệu hấp phụ và đôi khi có thể thu hồi các chất có giá trị.

SVTH: Nguyễn Lý Huỳnh

16


* Tái sinh bằng phương pháp vật lý
+ Nhờ nhiệt độ: người ta thường dùng hơi nước bão hòa hay hơi quá nhiệt,
hoặc bằng khí trơ nóng.
+ Nhờ phương pháp trích ly (nhả pha lỏng) bằng các chất hữu cơ có nhiệt độ
sôi thấp và dễ chưng bằng hơi nước như metanol, benzen, toluen...
* Tái sinh bằng phương pháp hóa học
Trong một số trường hợp, trước khi tái sinh các chất bị hấp phụ được chuyển
hóa hóa học thành dạng dễ tách từ chất hấp phụ hơn. Tái sinh bằng phương pháp
hóa học thường phải phá vỡ cấu trúc của chất bị hấp phụ đôi khi là cả chất hấp phụ.
2.2.1.3. Giới thiệu một số chất hấp phụ kim loại nặng
Chất hấp phụ là những vật liệu rắn dạng hạt có cấu trúc rất xốp và diện tích bề
mặt riêng lớn.
* Các vật liệu có nguồn gốc vô cơ

- Chất hấp phụ oxit sắt (Fe2O3, Fe3O4): Đối với Oxit sắt ở dạng bột mịn, cỡ
hạt vào khoảng nhỏ hơn 100m, người ta đã đo được bằng phương pháp BET diện
tích bề mặt của nó là 3,07 m 2/g. Một điểm thuận lợi khi sử dụng oxit sắt là chất này
chính là chất thải của quá trình đốt quặng pyrit (FeS) hay từ các mãnh vụng sắt phế
thải.
- Chất hấp phụ tro bay, xỉ than: trong quá trình đốt than đá, một lượng bụi
mịn bay lên và tích tụ lại ở trong ống khói được gọi là tro, còn phần than bị thiêu
kết và nằm lại phía dưới (đáy lò) gọi là xỉ than. Diện tích bề mặt đo theo phương
pháp BET là 5,39 m2/g đối với xỉ than, còn đối với tro bay là 10,15 m 2/g.
- Chất hấp phụ dioxit Mangan: có công thức hóa học là MnO2. Lượng quặng
Mangan ở nước ta có trữ lượng khá cao và có loại quặng hàm lượng Mangan đạt tới
76%.
* Các chất polyme : Người ta sử dụng nhiều chất polyme làm chất hấp phụ.
Các chất polyme thường có các nhóm chức có khả năng hút hoặc giữ các kim loại
vào trong thành phần liên kết.
* Chất hấp phụ sinh học: chất hấp phụ sinh học là những chất có bắt nguồn từ
sinh học do vậy nó rất đa dạng và phong phú.
2.2.1.4. Ưu nhược điểm của phương pháp hấp phụ
*Ưu điểm
+ Xử lý hiệu quả kim loại nặng ở nồng độ thấp.
SVTH: Nguyễn Lý Huỳnh

17


+ Đơn giản, dễ sử dụng.
+ Có thể tận dụng một số vật liệu là chất thải của các ngành khác.
+ Có thể nhả hấp phụ để tái sinh vật liệu hấp phụ.
*Nhược điểm
+ Thường chỉ áp dụng cho xử lý kim loại nặng ở nồng độ thấp.

+ Chi phí xử lý vẫn còn cao.
2.2.2. Phương pháp trao đổi ion
2.2.2.1. Cơ chế của phương pháp trao đổi ion
Thực chất phương pháp trao đổi ion cũng là một phần của phương pháp hấp
phụ, nhưng là quá trình hấp phụ có kèm theo trao đổi ion giữa chất hấp phụ với ion
của dung dịch. Có thể nói trao đổi ion là một quá trình trong đó các ion trên bề mặt
của chất rắn trao đổi với ion có cùng điện tích trong dung dịch khi tiếp xúc với
nhau. Các chất này gọi là các ionit (chất trao đổi ion), chúng hoàn toàn không tan
trong nước.
* Cơ chế trao đổi ion
- Trao đổi cation
RA + B+ = RB + A+

(2.11)

B+ gồm các ion kim loại: Ni2+, Cu2+, Zn2+, Cr3+, Fe2+...
- Trao đổi anion
RA + B- = RB + A-

(2.12)

B- có thể là: Cr2O72-, MoO42-...
Khi kim loại nặng tiếp xúc với chất trao đổi ion thì sẽ xảy ra quá trình trao đổi
ion giữa dung dịch và chất trao đổi ion.
- Có thể mô tả động học của quá trình trao đổi ion qua các quá trình như
sau
+ Khuyếch tán ion kim loại từ dung dịch tới lớp màng bao quanh hạt trao đổi
ion.
+ Khuyếch tán các ion qua lớp màng.
+ Khuyếch tán các ion tới vị trí trao đổi ion.

+ Quá trình trao đổi ion.

SVTH: Nguyễn Lý Huỳnh

18


+ Khuyếch tán của các ion được giải phóng từ vị trí trao đổi ion đến bề mặt
hạt.
+ Khuyếch tán các ion được giải phóng qua màng.
+ Khuyếch tán các ion đó vào dung dịch.
Quá trình động học của một quá trình được quyết định bởi bước chậm nhất.
Trong hầu hết các quá trình thì quá trình phản ứng trao đổi ion là quá trình nhanh
nhất. Nói chung là chỉ có hai quá trình ảnh hưởng mạnh mẽ đến động học trao đổi
ion là: khuyếch tán ion qua màng, khuếch tán ion vào hạt trao đổi ion.
Các chất có khả năng hút và trao đổi ion dương từ dung dịch điện ly gọi là
cationit. Những chất này mang tính axit.
Các chất có khả năng hút các ion âm gọi là anionit và chúng có tính kiềm.
Các ionit mà có khả năng trao đổi cả ion dương lẫn ion âm thì gọi là ionit
lưỡng tính.
- Cũng giống như các kiểu hấp phụ khác thì trao đổi ion cũng có tái sinh
+ Các cationit thì thường được tái sinh bằng các dung dịch axit có nồng độ từ
2-8%. Sau đó các cation sẽ được nạp điện tích bằng các muối ăn (NaCl) và lúc này
các ion Na+ sẽ vào chiếm chỗ, đẩy các ion H+ vào dung dịch.
+ Các anionit thì được tái sinh bằng dung dịch kiềm, và sau đó cũng được nạp
điện tích bằng muối ăn NaCl, lúc đó các ion Cl- sẽ thay thế các ion OH- đẩy các ion
OH- vào dung dịch.
2.2.2.2. Giới thiệu một số chất trao đổi ion
* Các ionit có nguồn gốc vô cơ
- Tự nhiên: Các loại zeolit (thường là người ta sử dụng zeolit A và X) có

công thức dưới dạng Na2O. Al2O3. nSiO2.mH2O, các kim loại khoáng, đất sét,
fenspat, các chất mica khác nhau ...
- Tổng hợp: Silicagen, pecmutit, các oxit khó tan và hiđroxit của một số kim
loại như crôm, nhôm, ziriconi...
* Các ionit có nguồn gốc hữu cơ
+ Tự nhiên: gồm axit humic của đất mùn và than đá, chúng mang tính axit
yếu, để tăng tính axit và dung lượng trao đổi người ta nghiền nhỏ than và lưu hóa ở
điều kiện dư oleum. Than sunfo là các chất điện ly cao phân tử rẻ và chứa cả các
nhóm axit mạnh và axit yếu. Các chất trao đổi ion này có nhược điểm là độ bền hóa

SVTH: Nguyễn Lý Huỳnh

19


học và độ bền cơ học thấp, dung lượng thể tích không lớn đặc biệt là trong môi
trường trung tính.
+ Tổng hợp: là các nhựa có bề mặt trao đổi lớn, chúng là những hợp chất cao
phân tử. Các gốc hyđrocacbon của chúng tạo nên lưới không gian với các nhóm
chức năng trao đổi ion cố định. Lưới không gian đó được gọi là ma trận và thường
được kí hiệu là R nối với các nhóm chức ví dụ như RSO3H, RCOOH...
2.2.2.3. Ưu nhược điểm của phương pháp hấp phụ và trao đổi ion
* Ưu điểm
+ Khả năng trao đổi ion lớn, do vậy xử lý rất hiệu quả đối với kim loại nặng.
Đây là một trong những phương pháp tốt nhất trong xử lý kim loại nặng.
+ Đơn giản, dễ sử dụng.
+ Thích hợp để xử lý nước thải có chứa nhiều hơn một kim loại.
+ Không gian xử lý nhỏ.
+ Có khả năng thu hồi các kim loại có giá trị.
+ Không tạo ra chất thải thứ cấp.

*Nhược điểm
+ Đắt tiền, đặc biệt là đối với các nhà máy có quy mô lớn, lượng nước thải
nhiều thì phương pháp này đòi hỏi chi phí khá lớn.
Trên đây là các phương pháp xử lý nước thải chứa kim loại nặng, các phương
pháp này đều có những ưu, nhược điểm riêng. Do vậy, tùy từng điều kiện, từng
hoàn cảnh mà ta có thể lựa chọn phương pháp nào để xử lý hợp lý nhất hoặc có thể
kết hợp hai thậm chí là ba phương pháp để có thể xử lý triệt để và hiệu quả nhất.
Nhằm khắc phục tình trạng ô nhiễm này đòi hỏi cấp bách phải có những biện
pháp xử lý nước thải kim loại nặng hiệu quả và phải phù hợp với điều kiện hoàn
cảnh của các nhà máy ở Việt Nam như: diện tích xử lý nhỏ và hiệu quả xử lý rất tốt.
Do đó để có thể thực hiện được những tiêu chí trên, việc nghiên cứu, thăm dò khả
năng xử lý nước thải chứa kim loại nặng bằng vật liệu nano Fe3O4 được tổng hợp
bằng phương pháp đồng kết tủa. Trong phần tiếp theo tôi xin giới thiệu về nghiên
cứu thăm dò khả năng hấp phụ ion kim loại nặng (Mn2+) bằng vật liệu nano Fe3O4
và đây cũng là một trong các nghiên cứu khoa học mới hiện nay đang rất được quan
tâm. Vật liệu nano Fe3O4 là vật liệu đang được một số nhà khoa học ứng dụng để
chế tạo các bộ phận lọc nước uống sử dụng hạt nano là chính và sau khi lọc cho
chúng ta nước uống có độ tinh khiết rất cao.
SVTH: Nguyễn Lý Huỳnh

20


3. Oxít sắt từ (Fe3O4)
3.1. Vật liệu nano
Kích thước nano: Nano là thang đo vật chất có kích thước trong khoảng một
đến vài trăm nm (1nm = 10 -3µm = 10 -6mm = 10-9m ; 1Å = 10nm).[2]
Cuối thập niên 80, công nghệ nano bắt đầu phát triển và thu được nhiều thành
quả to lớn không chỉ trong nghiên cứu mà còn mở rộng phạm vi ứng dụng trong
nhiều lĩnh vực [13]. Ở các vât liệu và linh kiện nano xuất hiện nhiều hiện tượng,

tính chất vật lý và hóa học mới mẻ không có trong các loại vật liệu khối. Công nghệ
nano là ngành công nghệ liên quan đến 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 nano. Vật liệu nano có tính chất đặc biệt là do kích thước của nó có thể so
sánh được với kích thước tới hạn các tính chất của vật liệu. Các tính chất như tính
chất điện, tính chất từ, tính chất quang và các tính chất hoá học khác đều có độ dài
tới hạn trong khoảng nano. Chính vì vậy, khi kích thước giảm tới mức nano, các
hiệu ứng lượng tử xuất hiện, nhờ vậy có thể thay đổi các đặc trưng của vật liệu như
màu sắc, các tính chất nhiệt, từ, điện, quang mà không cần thay đổi thành phần hoá
học. Đó là điều kiện lý tưởng để tạo ra các vật liệu oxít sắt từ kích thước nano có tác
dụng xúc tác, hấp phụ…[14]
Oxít sắt từ là một hợp chất rất quan trọng trong kỹ thuật, được ứng dụng để
chế tạo vật liệu từ, vật liệu xúc tác, phụ gia, chất màu...đặc biệt, oxít sắt từ kích
thước nano còn có tính hất phụ mạnh và có khả năng tách loại các ion kim loại nặng
trong nước.[14]
3.2. Oxít sắt từ ( Fe3O4) dạng thường [2]
• Công thức: Fe3O 4 hay FeO.Fe2O 3
• Phân tử lượng: 231,533 g/mol
• Tên gọi: Ferrosoferric oxide; Ferric ferrous oxide; Triiron tetraoxide; Black
iron oxide; Magnetic iron oxide; Ethiops iron; Magnetite; oxit sắt từ.
• Thành phần: Fe: 72,36% ; O: 27.64%
Trong đó thành phần Fe2+ là 24,2% và Fe3+ là 48,24%
• Công thức điện tử:
Fe: 1s22s22p63s23p 63d64s2

↑↓ ↑

↑

↑

3d 6

SVTH: Nguyễn Lý Huỳnh

↑

↑↓
4s2

21


Fe2+: 1s22s22p 63s23p63d64s0

↑↓ ↑

↑

↑

↑

3d 6

Fe3+: 1s22s22p 63s23p63d54s0

↑

↑

↑

4s0

↑

3d 5

↑
4s0

3.2.1. Tính chất vật lý
- Cảm quan:
+ Dạng tinh thể lập phương hay dạng bột vô định hình, màu đen tuyền.
+ Là thành phần chủ yếu trong quặng Magnetite.
+ Không tan trong nước và các dung môi hữu cơ. Tan được trong dung dịch
axít loãng (chậm). Không tan trong dung dịch kiềm.
+ Bị oxy hóa chậm trong không khí và chuyển dần sang dạng Fe2O3 có màu
nâu đỏ.
- Các thông số vật lý:
+ Khối lượng riêng: d = 52
+ Nhiệt độ nóng chảy: t = 1538oC
3.2.2. Tính chất hóa học
Fe3O4 là 1 oxít hỗn hợp gồm 2 loại FeO và Fe2O3 nên thể hiện tính chất của
đồng thời Fe2+ và Fe3+. Tuy nhiên, do tính tan của Fe3O4 kém nên chỉ thể hiện hoạt
tính khi hòa tan thành ion bỡi axít.
3.2.2.1. Tác dụng với axít
- Đối với axít HCl: phản ứng xảy ra nhanh khi nồng độ dung dịch HCl ≥ 10%
và đun nóng.
Fe3O4 + 8 HCl → FeCl 2 + 2 FeCl3 + 4 H2O

(3.1)

- Đối với dung dịch H2SO4:
+ nồng độ dung dịch H2SO4 ≤ 10% chỉ xảy ra phản ứng trao đổi
Fe3O4+ 4 H2SO4 (loãng) → FeSO4 + Fe2(SO4)3 + 4 H2O
SVTH: Nguyễn Lý Huỳnh

( 3.2)
22


+ nồng độ dung dịch H2SO4 ≥ 10% và có đun nóng: phản ứng oxy hóa xảy ra.
2 Fe3O4 + 10 H2SO4 (đặc) → 3 Fe2(SO4)3 + SO2↑ + 10 H2O

( 3.3)

- Đối với axít HNO3: Nồng độ loãng hay đậm đặc, nguội hay đun nóng đều
xảy ra phản ứng oxy hóa.
Fe3O4 + 10 HNO3 → 3 Fe(NO3)3 + NO2↑ + 5 H2O

( 3.4)

3.2.2.2. Tác dụng với oxy
Trong không khí phản ứng xảy ra nhanh hơn. Oxy trong không khí oxy hóa
Fe → Fe3+.
2+

Fe3O4

+

1/2 O2

→ 3 (α-Fe2O3)

( 3.5)

3.2.2.3. Tác dụng với các chất khử thông thường như: C, CO, H2, Al
Khử oxit sắt bằng CO ở nhiệt độ cao. Trong lò cao, sắt bị khử dần theo sơ đồ
Fe2O3 => Fe3O4 => FeO => Fe. Quá trình khử của Fe3O4 được ứng dụng làm giảm
quặng Fe3O4 bởi CO trong một lò đứng được sử dụng để sản xuất chất sắt như một
phần của quá trình sản xuất thép ở nhiệt độ khoảng 720oC:
Fe3O4 + 4 CO →

3 Fe + 4CO2

( 3.6)

3.2. Oxít sắt từ (Fe3O 4) dạng Nano [2]

Nguyên tử B (3+)
Trên khối 8 mặt
Nguyên tử A (2+)
Trên khối 4 mặt

Hình 1.2. Các cấu trúc thường gặp của Ferrite - Fe3O4
Oxít sắt từ (Fe3O4) là 1 oxít hỗn hợp FeO.Fe2 O3 thuộc nhóm ceramic từ, được
gọi là ferrite. Công thức chung của ferrite là MO.Fe2O3, với các ferrite thường có
cấu trúc spinel thuận hoặc nghịch. Nhưng dù spinel thuận hay nghịch thì trong một

ô đơn vị đều có 8 vị trí tứ diện và 16 vi trí bát diện.

SVTH: Nguyễn Lý Huỳnh

23


Trong mỗi ô đơn vị của cấu trúc spinel thuận, những ion hóa trị 3 chiếm các vị
trí bát diện, còn những ion hóa trị 2 chiếm các vị trí tứ diện.
Trong mỗi ô đơn vị của cấu trúc spinel nghịch, những ion hóa trị 2 và 8 ion
hóa trị 3 sẽ chiếm các vị trí bát diện; những ion hóa trị 3 còn lại sẽ chiếm các vị trí
tứ diện.
Trong mạng ferrite có 2 loại lỗ hổng: loại thứ nhất là lỗ hổng tứ diện (nhóm A)
được giới hạn bởi bốn ion oxy, loại thứ hai là lỗ hổng bát diện (nhóm B) được giới
hạn bởi sáu ion oxy. Các ion kim loại M2+ và Fe3+ sẽ nằm ở các lỗ hổng này và tạo
nên hai dạng cấu trúc spinel của nhóm vật liệu ferrite. Trong dạng thứ nhất, toàn bộ
các ion M2+ nằm ở vị trí nhóm A còn toàn bộ các ion Fe3+ nằm ở các vị trí nhóm B.
Cấu trúc này đảm bảo hoá trị của các nguyên tử kim loại vì số ion oxy bao quanh
các ion Fe3+ và M2+ có tỷ số 3/2 nên nó được gọi là spinel thuận. Cấu trúc này được
tìm thấy trong ferrite ZnO.Fe2O3. Dạng thứ hai thường gặp hơn được gọi là cấu trúc
spinel đảo. Trong cấu trúc spinel đảo một nửa ion Fe3+ cùng toàn bộ ion M2+ nằm ở
các vị trí nhóm B, số ion Fe3+ còn lại nằm ở các vị trí nhóm A. Oxít sắt từ Fe3O4 hay
có thể viết FeO.Fe2O3 là một ferrite có cấu trúc spinel đảo điển hình. Cấu trúc spinel
có thể xem như được tạo ra từ mặt phẳng xếp chặt của các ion O2- với các lổ trống
tứ diện (nhóm A) và bát diện (nhóm B) được lấp đầy bằng các ion Fe2+ và Fe3+
(hình 1). Trong đó, các ion Fe3+ được phân bố một nửa ở nhóm A và một nửa ở
nhóm B, cón các ion Fe2+ đều nằm ở nhóm B.Chính cấu trúc spinel đảo này đã
quyết định tính chất từ của Fe3O4, đó là tính chất ferrite từ.

↓

Tứ diện Fe3+

3d5

↑

↑

↑

↑

↑

Bát diện Fe2+

3d6

↑↓

↓

↓

↓

↓

Bát diện Fe3+

3d5

↓

↓

↓

↓

↓

Spin tạo nên momen từ của phân tử.

Oxít sắt từ (Fe3O4) là vật liệu được dùng phổ biến nhất. Fe3O4 có cấu trúc
spinel đảo, hằng số mạng a = b = c = 8,396 Å, số phân tử trong một ô cơ sở là 8.
SVTH: Nguyễn Lý Huỳnh

24