Đồ án tổng hợp nanosilica silic dioxit (SiO2)

MỤC LỤC
CHƯƠNG I....................................................................................................................................1
TỔNG QUAN VỀ SILICA...........................................................................................................1
1.1.

Nhu cầu cấp thiết của đề tài........................................................................................1

1.2.

Các phương pháp tổng hợp nano silica......................................................................7

1.1.1. Phương pháp sol – gel................................................................................................7
1.1.2. Phương pháp kết tủa.................................................................................................11
1.2. Ứng dụng của nano silica...............................................................................................15
1.3. Tổng hợp vật liệu compozit từ nano silica....................................................................23
CHƯƠNG II................................................................................................................................26
TÍNH TỐN THIẾT BỊ NUNG TRO TRẤU.............................................................................26
2.1. Cơ sở lý thuyết................................................................................................................26
2.2. Thơng số về nano silica...................................................................................................30
2.3. Tính tốn..........................................................................................................................32
Chương III...................................................................................................................................35
KẾT LUẬN.................................................................................................................................35
TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................................36


DANH SÁCH BẢNG, SƠ ĐỒ VÀ HÌNH ẢNH
Bảng 1. 1.Diện tích, sản lương lúa và trấu của ở Viêt Nam từ năm 2000 – 2019
Biểu đồ 1.1. Dự kiến thị trường nano silica toàn cầu theo từng vùng từ năm 2020 – 2027.
Biểu đồ 1.2. Khối lượng thị trường nano nano toàn cầu theo ứng dụng năm 2019.
Bảng 1. 2. Nội dung nghiên cứu và kết quả dự kiến của đề tài
Hình 1. 1. Phản ứng của các monomers phát triển thành gel trong dung dịch sodium silicate

Bảng 1. 3.. Thành phần hữu cơ của vỏ trấu
Bảng 1. 4. Các thành phần oxit có trong tro trấu
Sơ đồ 1. 1. Sơ đồ tổng hợp nanosilica từ vỏ trấu bằng phương pháp sol – gel
Bảng 1. 6. Bảng tổng hợp các nghiên cứu của phương pháp sol – gel
Hình 1. 2. Ảnh chụp TEM và SEM của nanosilica
Sơ đồ 1. 2. Sơ đồ tổng hợp nanosilica từ vỏ trấu bằng phương pháp kết tủa
Hình 1. 3 . Ảnh chụp TEM của nanosilica nung ở nhiệt độ 500oC, 600 oC, 700 oC trong 4h.
Bảng 1. 7. Bảng tổng hợp nghiên cứu về tổng hợp nano silica bằng phương pháp kết tủa.
Sơ đồ 1. 3. Sở đồ quy trình sản xuất vật liệu composite Ag/SiO2
Hình 2. 1.Quy trình sản xuất nano silica từ vỏ trấu
Hình 2. 2. Hệ thống thiết bị nung trấu thành tro
Bảng 2. 1.Thành phần hóa của tro rửa acid và tro không rửa acid SiO2
Bảng 2. 2. Khảo sát ảnh hưởng của thể tích ngâm axit
Hình 2. 3. Hình ảnh nano silica sau khi được tổng hợp
Bảng 2. 3. Bảng thổng số kỹ thuật của nanosilica được công ty Innsulekx ở Ấn Độ sản xuất
Bảng 2. 4. Bảng thổng số kỹ thuật của nanosilica được công ty BSB ở Việt Nam sản xuất
Hình 2. 4. Kích thước lị nung
Hình 2. 5. Thiết kế tường của lị nung
Hình 2. 6. Thiết kế màng lọc để tách bụi khói
Sơ đồ 2 1. Tốc độ nâng nhiệt trong thiết bị nung trấu trong 8h ở 550oC


CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ SILICA
1.1.

Nhu cầu cấp thiết của đề tài

Cách đây vài chục năm, trấu được dùng trong nấu nướng sinh hoạt, làm
chất đốt trong các lò gạch thủ công nhưng lượng tiêu thụ không là bao. Các

nhà máy xay xát phải tìm cách chở đi đổ bỏ. Trấu như một chất thải tiềm tàng
gây ô nhiễm cho môi trường. Giá bán trấu trung bình khoảng 250.000 –
550.000 đồng/tấn, còn trong những vụ lúa sản lượng thấp, giá trấu từng lên
đến 1.000.000 đồng/tấn [1]. Hiện nay trấu được sử dụng làm chất đốt lị hơi
cơng nghiệp, phân bón, sản xuất củi trấu, viên trấu để xuất khẩu…
Năm 2019, theo Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn [2], năng suất
lúa gạo cả nước ước đạt được 43,45 triệu tấn, tỉ lệ trấu khoảng 20% tức gần 9
triệu tấn. Bảng 1.1 thể hiện về diện tích và sản lượng lúa và trấu ở Việt Nam
từ năm 2000 đến năm 2019 ta thấy tuy diện tích đất giảm nhưng sản lượng lúa
mỗi năm một tăng làm cho sản lượng tráu cũng tăng theo nên nhu cầu xử lý
trấu cũng cần phá triển
Bảng 1. 1. Diện tích, sản lương lúa và trấu của ở Viêt Nam từ năm 2000 –
2019 [2]
Diện tích

Khối lượng lúa

(triệu ha)

(triệu tấn)

Khối lượng trấu
(triệu tấn)

2000

7,67

32,51

6,50

2001

7,49

32,11

6,42

2002

7,50

34,45

6,89

2003

7,42

34,00

6,80

2004

7,43

35,90

7,18

2005

7,31

35,84

7,17

Năm

1


2006

7,30

35,83

7,16

2007

7,16

35,59

7,12

2008

7,40

38,63

7,73

2009

7,44

38,95

7,79

2010

7,49

39,99

7,99

2011

7,65

42,31

8,46

2012

7,75

43,40

8,68

2013

7,90

44,10

8,82

2014

7,81

45,22

9,04

2015

8,24

50,00

10

2016

7,81

43,61

8,72

2017

7,72

42,84

8,57

2018

7,57

43,98

8,79

2019

7,47

43,45

8,69

Trấu có nhiều cơng dụng, nhưng giải pháp đầu tư phù hợp với thị trường
Việt Nam thì khơng phải nhà đầu tư nào cũng tỏ tường. Cách đây vài ba năm,
một nhà đầu tư từng gây xôn xao khi tuyên bố xây dựng chuỗi cơng trình 20
nhà máy nhiệt điện đốt bằng vỏ trấu trên cả nước. Sau vài năm triển khai, đến
nay vẫn chưa nhà máy nào đi vào hoạt động.
Trấu là lớp vỏ ngoài cùng của hạt lúa và được tách ra trong quá trình xay
xát. Trong vỏ trấu chứa khoảng 75% chất hữu cơ dễ bay hơi sẽ cháy trong q
trình đốt và khoảng 25% cịn lại chuyển thành tro. Chất hữu cơ chứa chủ yếu
xenlulozơ, lignin, ngồi ra có thêm thành phần khác và chất vơ cơ.
Bảng 1. 2. Thành phần hữu cơ của vỏ trấu [1]

2


Thành phần chủ yếu
Xenlulozơ (C6H10O5)n
Lignin (C31H34O11)n
D – xylozơ (C5H10O5)
D – galactozơ (C6H12O6)
Axit metyl glucuronic (C7H12O7)
Silic oxit (SiO2)

Tỷ lệ theo khối lượng (%)
40,00
22,00
15,52
1,37
1,23
19,88

Các chất hữu cơ của trấu là các mạch polycacbonhydrat rất dài nên hầu hết
các lồi sinh vật khơng thể sử dụng trực tiếp được, nhưng các thành phần này
rất dễ cháy nên có thể dùng làm chất đốt. Sau khi đốt, tro trấu chứa trên 80%
là silic oxyt, đây là thành phần được sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác
nhau.
Bảng 1. 3. Các thành phần oxit có trong tro trấu [2]
Thành phần oxit
SiO2
MgO
K2O
CaO
Na2O
Fe2O3

Tỷ lệ theo khối lượng (%)
86,9 – 97,3
0,1 – 2,0
0,6 – 2,5
0,2 – 1,5
0,3 – 1,8
0,2 – 0,9

Thị trường thế giới hiện nay cũng đang rất sơi động với nhu cầu sử dụng
nano silica tồn cầu ước tính đạt 3.348,3 kg vào năm 2015 [136]. Hiện nay
nano silica được dùng chủ yếu để làm chất độn trong cao su sẽ thúc đẩy phát
triển ngành ô tô (lốp xe ô tô siêu bền) làm cho nhu cầu sử dụng của nó cũng
ngày càng tăng bên cạnh đó cịn sử dụng trong một số lĩnh vực khác nhưu
điện, y học, pin, thực phẩm và sơn,… cũng dẫn đến nhu thị trường nano silica
được mở rộng và nhu cầu ngày càng tăng nhanh được dựa theo biểu đồ 1.1 và
1.2:
Biểu đồ 1.1. Dự kiến thị trường nano silica toàn cầu theo từng vùng từ năm
2019 – 2027. [137]

3


Biểu đồ 1.2. Khối lượng thị trường nano nano toàn cầu theo ứng dụng năm
2019. [137]

Ông Oleg Efisco, Giám đốc Điều hành Công ty RHT của Nga [1], đơn vị
sở hữu cơng nghệ sản xuất silica vơ định hình tỉ lệ cao, cho biết trên thị
trường có khoảng 300 loại silica. Silica là nguyên phụ liệu dùng trong luyện

4


kim, sản xuất sơn, gốm sứ, bê tông, lốp xe, thủy tinh… Mỗi mục đích sử dụng
yêu cầu loại silica vơ định hình khác nhau; giá bán từ đó cũng khác nhau.
Lấy ví dụ, silica dùng trong luyện kim có giá 500 USD/tấn, silica dùng làm
lốp xe khoảng 2.000 USD/tấn, hoặc silica dùng sản xuất pin mặt trời có giá
15.000 USD/tấn. Mười triệu tấn trấu của Việt Nam sản xuất được khoảng 2

triệu tấn silica. Với giá bán silica tối thiểu 500 USD/tấn, Việt Nam đang bỏ
qua hơn gần 1 tỉ USD tiềm tàng trong những vỏ trấu.[1]
Dù vậy, không thể phủ nhận tiềm năng lớn từ trấu. Thị trường trấu thế giới
đã đạt 2,42 tỉ USD vào năm 2020 với tốc độ tăng trưởng hằng năm 5,15% kể
từ năm 2015, theo một nghiên cứu. Trong đó, các nước châu Á - Thái Bình
Dương là khu vực tăng trưởng mạnh nhất. Nghiên cứu này cũng chỉ ra mũi
nhọn của tốc độ phát triển này là nhờ nhu cầu tiêu thụ các sản phẩm thân thiện
với mơi trường, trong đó có silica, sản phẩm thu được sau khi đốt trấu bằng
công nghệ cao, có giá trị lớn trong nhiều ngành sản xuất công nghiệp.[1]
Silica (SiO2) được ứng dụng rộng rãi vào rất nhiều lĩnh vực khác nhau:
- Để tinh chế nguyên tố silic dùng chế tạo pin mặt trời và chất bán dẫn.
[20 – 23]
- Chế tạo thủy tinh lỏng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực chế tạo vật liệu.
[24, 25]
- Phụ gia cho sản xuất lốp ô tô chất lượng cao. [5 – 7, 26]
- Sơn chịu nhiệt, chịu môi trường hóa chất. [27 - 30]
- Gạch chịu nhiệt, cách âm, cách nhiệt. [31, 32]
- Làm xà phòng, kem đánh răng. [33]
- Làm phụ gia cho công nghiệp thực phẩm. [34 – 36]
- Dùng trong công nghiệp dược phẩm. [37 – 40]
- Dùng trong công nghiệp chế tạo xi măng và bê tông. [33, 41 – 44]

5


- Đặc biệt để chế tạo phân bón hữu cơ silic giúp tăng năng suất lúa và
các cây trồng khác lên từ 15 - 30%, giảm thiểu các chất N, P, K và giảm thiểu
việc sử dụng thuốc trừ sâu. [45 – 52].
Do có nhiều ứng dụng rộng rãi như vậy nên nhu cầu SiO2 về ngày càng
tăng trên thị trường thế giới hiện nay thế giới mỗi năm có nhu cầu 1,5 triệu

tấn, qua mỗi năm lại tăng thêm.
Với nước Nga hiện năm 2020 đã nhập khẩu 26.000 tấn, chủ yếu nhập khẩu
từ Trung Quốc và Ấn Độ với giá khá cao là 1$/100g (23000 VND/100g). [3]
Ở Việt Nam, SiO2 trong trấu và rơm rất là lớn mà nước ta thì nguồn phế
thải này lại càng nhiều nhưng hiện nay mỗi năm nước ta lại phải nhập khẩu
SiO2 với 7000 tấn/ năm từ Ấn Độ. [3]
Hiện nay nước ta hằng năm sản lượng lúa được sản xuất với số lượng lớn
khoảng gần 50 triệu tấn lúa hằng năm với tỉ lệ trấu là 20% thì hằng năm nước
ta đã phải xử lý gần 10 triệu tấn trấu bằng cách làm nhiên liệu đốt lò hơi, làm
củi trấu, nhiên liệu đốt làm năng lượng… nhưng thật khơng hiệu quả vì xử lý
chưa hết được lượng trấu, chưa nâng cao được nguồn thu nhập từ vỏ trấu cho
người nông dân và cũng chưa thật sự tận dụng được hết tiềm năng của trấu đó
là thành phần Silica.
Vậy tại sao khơng tận dụng nguồn cung vô tận từ phế thải nông nghiệp đó
để sản xuất silica từ vỏ trấu vừa giải quyết được vấn đề môi trường, vừa giải
quyết được vấn đề kinh tế cũng như tận dụng được tối đa tiềm năng của vỏ
trấu ở nước ta. Trong đề tài này, chúng tơi tập trung tính tốn và thiết kế thiết
bị nung tạo ra silica (SiO2) từ vỏ trấu với nội dung chính và kết quả dự kiến
được trình bày cụ thể trong bảng 1.2.

6


Bảng 1. 4. Nội dung nghiên cứu và kết quả dự kiến của đề tài
ST

Nội dung nghiên cứu

Kết quả dự kiến

T

Tổng hợp ra nano silica (SiO2) từ - Tổng hợp thành cơng Nano Silica có
vỏ trấu với độ tinh khiết cao và bề kích thước trung bình khoảng 15 nm.
1

mặt diện tích lớn từ 160 đến trên - Nano silica có độ tinh khiết cao từ
200 m2/g.

90 – 99,99% và diện tích bề mặt lớn

từ 160 đến trên 600 m2/g.
Thiết bị nung trấu với công suất lớn - Thiết bị làm việc với công suất lớn
`2

khoảng 1000 kg/ngày đạt hiệu suất đáp ứng đủ nhu cầu cho các ngành và
cao.

lĩnh

vực

nano

Silica

khoảng

7.000.000 tấn/năm.
Tối ưu hóa được cơng nghệ tổng - Đạt hiệu suất nano silica cao từ

3

hợp nano silica từ vỏ trấu

90%.
- Không ô nhiễm môi trường.
- Tận dụng triệt để được các sản phẩm

1.2.

Các phương pháp tổng hợp nano silica

Nhóm đã đọc qua nhiều cơng trình nghiên cứu thì có rất nhiều phương
pháp để tổng hợp ra nanosilica . Tuy nhiên, hai phương pháp tổng hợp được
sử dụng phổ biến nhất là: phương pháp sol – gel và phương pháp kết tủa. [9 –
12].
1.1.1. Phương pháp sol – gel
Phương pháp này bao gồm thủy phân và phản ứng ngưng tụ kết tủa
alkoxides kim loại () như là tetraethylorthosilicate (TEOS, ) hoặc các muối vô
cơ như natri silicate trong sự hiện diện của axit HCl hoặc bazơ NH 3 đóng vai
trị là xúc tác.
Các phản ứng hóa học xảy ra trong quá trình tổng hợp hạt nano silica bằng
phương pháp sol –gel từ TOES được viết như sau:
7


≡Si−O−H + H−O−Si≡ ≡Si−O−Si≡ +
≡Si−O + H−O−Si≡

≡ Si−O−Si≡ +

Hình 1. 4. Phản ứng của monomers phát triển thành gel trong sodium silicate
Quy trình tách nano silica từ vỏ tro trấu:
Các biển đổi hóa lý và phản ứng trong q trình sol-gel:
- Để tiến hành sol-gel từ vỏ trấu ta cần có tiền chất là tro trấu. Mục đích
của việc xử lí nhiệt ở 800oC vỏ trấu là để phân hủy các hợp chất hữu cơ trên
đồng thời lượng silica thu được là ở dạng vơ định hình, thuận lợi cho q
trình hịa tan tro trong NaOH và kết tủa bằng HCl ở pH = 7 trong hổn hợp
butanol/nước với sự hiện diện của chất hoặt động bề mặt cation. Loại tạp chất
kim loại bằng cách rửa tro bằng acid H2SO4 sau đó lọc bỏ phân lỏng và rửa lại
bằng nước cất.
- Bước tiếp theo của quá trình là tạo dung dịch Natrisilicate. Silica là
chất khơng bị hịa tan trong dung dịch acid nhưng bị hòa tan trong dung dịch
bazơ đậm đặc dưới tác dụng của nhiệt độ. Trong trường hợp này, người ta
thường dùng lượng dư dung dịch NaOH trên bể khuấy từ để hòa tan tro trấu
tạo dung dịch Natrisilicate. Phần tro còn dư sẽ được lọc bỏ đi và thu về dung
dịch Natrisilicate.
- Sản phẩm gel từ quá trình trung hịa sẽ được ly tâm và loại bỏ phần
lỏng nhẳm loại bỏ các muối trong dung dịch sau đó được rửa bằng nước cất 2
- 3 lần.

8


- Trong sản phẩm dạng gel đã hình thành các hạt silica liên kết với nhau
nhờ các liên kết hình thành do sự có mặt của các gốc silanol. Quá trình sấy và
nung sẽ khiến các liên kết này bị phá hủy, sản phẩm thu được là silica dạng
bột.
- Hạt silica được phân tán trong dung môi nước cất để đánh giá cấu trúc
và tính chất của sản phẩm nano silica được xác định bằng các phuơng pháp

như SEM, TEM, XRD, FTIR , BET, và TG.
- Sản phẩm thu được dưới dạng bột silica vơ định hình có kích thước
trung bình khoảng 15 nm.
Mẫu nanosilica được tổng hợp từ vỏ trấu bằng phương pháp sol - gel
được chụp bằng TEM và SEM được thể hiện trên hình 1.1:

Hình 1. 5. Ảnh chụp TEM và SEM của nanosilica [14]
Hạt nanosilica được tổng hợp bằng phương pháp sol-gel trong đó bao gồm
các q trình chính dưới sơ đồ 1.1:

9


Sơ đồ 1. 1. Sơ đồ tổng hợp nanosilica từ vỏ trấu bằng phương pháp sol – gel
Trấu

`

Ngâm H2SO4 10%
Rửa sạch bằng nước

Trấu tiền xử lý
Nung 800oC
Tro trấu

NaOH
Khuấy ở 100oC
Natri silicat
CTAB, butanol/nước
HCl

Thu kết tủa trắng

Bình lỏng pH = 4
Silica gel
Sấy 150oC
Nung 550oC
Nano silica
`
- Các nhóm nghiên cứu đã thực hiện với phương pháp được tổng hợp ở
bảng 1.5:

10


Bảng 1. 5. Bảng tổng hợp nano silica của phương pháp sol – gel từ vỏ trấu
Điều kiện thực hiện

[54]
(2013)

citric
(C6H7O8)

3h

hạt thông

550oC

1:2

Vỏ trấu

5h
60oC

650oC

1M

3.5M

0.5h
800oC

HCl 1M

2h

pH = 7

150oC

H2SO4 0.5M

4h

pH = 4

550oC

92.5

94.5

258.3

15

95.6

95

260.5

60

90

68

219.8

10

96

95

124.9

3

98

96

340

1.1.2. Phương pháp kết tủa
Phương pháp kết tủa sử dụng nhiệt để phân hủy vỏ trấu, sau đó cho NaOH
để tạo dung dịch
+ NaOH → +
Phản ứng giữa và HCl để tạo nên các tinh thể
+ HCl → + NaCl +
Cuối cùng SiO2 tạo thành có dạng vơ định hình và ở kích thước nanomét.
Hạt nanosilica được tổng hợp bằng phương pháp kết tủa trong đó bao gồm
các q trình:
11

Diện tích bề mặt

5

pH = 4

2M

1:10

(2019)

1.5h

20

(m2/g)

4

Bã mía và

HCl 1M

Hiệu suất (%)

[53]

550oC

6 g/ml acid

1h
70oC

(2020)

pH = 3

Độ tinh khiết (%)

[52]

2h

Kích thước trung

80oC

(2016)

3

3M

HCl 4M

bình (nm)

1:25

Vỏ trấu

6h

Thời gian và nhiêt

Vỏ trấu

6M

độ nung sản phẩm

1:12

100oC

(2015)
[14]
2

4h

Trung hòa axit

Vỏ trấu

Nồng độ NaOH

1:2

Thời gian và nhiệt

[13]
1

độ phản ứng

(Năm)

Tỷ lệ

tham khảo

rắn : lỏng

STT

Nguyên liệu

Tài liệu

Đặc tính của nano silica


- Lúc đầu, vỏ trấu được nung ở nhiệt độ từ 500 - trong thời gian 4h, thu
được tro vỏ trấu.
- Sau đó bột nano Silica được tách chiết từ tro trấu bằng cách sử dụng
dung dịch NaOH có nồng độ 3N và tiếp tục thêm dung dịch HCl ở độ pH = 6
cho thêm nước và khuấy liên tục cho đến khi dung dịch kết tủa trắng.
. - Dung dịch kết tủa trắng thu được quay li tâm với tốc độ 5500
vòng/phút, trong khoảng thời gian 15p, để tách chiết rắn ra khỏi dung dịch,
sau đó rửa mẫu thu được bằng nước cất nhiều lần và ethanol 2 lần.
- Bột ướt thu được được sấy khô ở môi trường chân không khoảng 20h,
sản phẩm thu được cuối cùng là bột khô màu trắng.
- Sản phẩm bột nano trên được đem đo nhiễu xạ tia X (XRD), tán sắc
năng lượng (EDS), quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier để xác định cấu
trúc mạng, thành phần pha, nguyên tố và mẫu được đem chụp ảnh hiển vi điện
tử quét (FESEM), ảnh hiển vi điện tử truyền qua (TEM) xác định kích thước
hạt, hình thái học.

- Kết quả, những hạt nano chế tạo được có pha vơ định hình và kích
thước hạt trung bình khoảng 15 nm.

12


Sơ đồ 1. 4. Sơ đồ tổng hợp nanosilica từ vỏ trấu bằng phương pháp kết tủa
Vỏ trấu

Rửa bằng acid H2SO4
Rửa bằng nước cất 3 – 4 lần
Sấy khô 100oC trong 2h

Tro trấu

Nung 800oC trong 6h

(trắng xám)

Hòa tan vào NaOH 3N
Khuấy ở 100oC trong 4h

Tro trấu

Dung dịch NasSiO3
Thêm HCl 1.5N
(pH=6)
Hỗn hợp dạng gel
Rửa bằng ethanol và
nước cất

SiO2.nH2O
1/ Sấy ở 150oC trong 6h
2/ Nung ở 550oC trong 2h
Nano Silica

13


Mẫu chụp TEM được tổng hợp bằng phương pháp kết tủa được thể hiện ở
hình 1.3:
Hình 1. 6 . Ảnh chụp TEM của nanosilica được nung ở nhiệt độ 500 oC,
600oC, 700oC trong 4h. [15]

- Các nhà khoa học đã thực hiện nghiên cứu với phương pháp này vào
bảng 1.3:
Bảng 1. 7. Bảng tổng hợp nghiên cứu tổng hợp nano silica bằng phương
pháp kết tủa.
14


Điều kiện thực hiện

2

1:8

trấu

(2008)

Diện tích bề mặt

Vỏ

[55]

pH = 6

(m2/g)

200 C

(2014)

3N

Hiệu suất (%)

o

HCl 2.5 N

Độ tinh khiết (%)

1:10

1h

Kích thước trung

1

trấu

bình (nm)

[14]

Thời gian và nhiệt

Vỏ

độ nung vỏ trấu

Trung hòa axit

Nồng độ NaOH

Thời gian và nhiệt

độ phản ứng

(Năm)

Tỷ lệ

tham khảo

rắn : lỏng

STT

Nguyên liệu

Tài liệu

Đặc tính của nano silica

4h
700oC

3h

2.5 N

H2SO4 đặc

6h

60oC

(NH4OH)

pH = 8

700oC

HCl

5h

pH = 7

700oC

15

91.2

310.5

10

92

90.3

656

12

98

92

200

60

95

94.6

190

Vỏ
[56]
3

1:5

trấu

95oC

(2004)

[57]
4

1:6
(2012)

1h

1.5N

Vỏ

3h

0.4 M

HCl

4h

trấu

120oC

NH4F

pH = 7

600oC

1.2. Ứng dụng của nano silica
Hiện nay, xu hướng sử dụng các ứng dụng từ vật liệu nano đang rất phổ
biến và ngày càng phát triển nhờ kích thước nano mét mà tính chất hóa lý của
vật liệu bị thay đổi phát huy được hết các tính năng ưu việt của vật liệu và
nano silica cũng không ngoại lệ, nó đang được nghiên cứu và ứng dung trong
nhiều lĩnh vực khác nhau:

15


1.2.1. Ứng dụng trong lĩnh vực xử lý nước
Nhờ vào khả năng hấp phụ, nanosilica và các vật liệu biến tính từ
nanosilica đã được sử dụng để xử lý ơ nhiễm môi trường.

Trong nghiên cứu của tác giả D. Kołodyńska chỉ ra rằng, chất hấp phụ ST
20 – ALG được tổng hợp từ nanosilica, phủ Titania và biến tính bằng Alginate
Natri ứng dụng để loại bỏ được các kim loại nặng Cu, Zn, Cd, và Pd có dung
lượng hấp phụ tương ứng như sau: 22.44 mg/g, 22.44 mg/g, 19.95 mg/g,
18.85 mg/g, và 32.49 mg/g. [59]
Ngồi ra cịn nhiều nhóm nghiên cứu khác đã tổng hợp được vật liệu
composite trên chất mang silica để ứng dụng vào loại bỏ các loại kim loại
nặng có trong nước. [60 – 65]
Nhóm nghiên cứu của nhà khoa học Reza Mohammadi, đã tổng hợp ra
nannosilica từ cát biển trắng ngoài khơi để loại bỏ ion cadmium từ mơi trường
dung dịch nước.[66 – 67]
Ngồi xử lý được Cadmium (Cd) thì silica cịn có thể là chất hấp phụ để
loại bỏ các chất kim loại nặng trong nước như Chì (Pb) [67 – 71], Asen (As)
có nhiều trong mạch nước ngầm cần được loại bỏ để cho có được nguồn nước
ngầm sạch và an tồn [71 – 76, 137], Đồng (Cu) [69, 77 – 80], Niken (Ni) [80
– 82], Crom (Cr) [83, 84], Sắt (Fe) [85 – 87], các hợp chất hữu cơ [12, 13,
88, 89].
Trong nghiên cứu của Sung Hoon Jeong và các cộng sự đã chế tạo ra nano
silica có cấu trúc của rạn san hơ để ứng dụng làm vật liệu có khả năng tự làm
sạch và chống thấm với chất lỏng cũng như làm giảm sự ăn mòn cho kim loại.
[90]
Hamedreza Javadian và cộng sự của mình đã ứng dụng silic mesopetic loại
nano

HMS

kết

hợp

với

N-(2-aminoethyl)-3-aminopropyl

16


methyldimethoxysilane như một chất hấp phụ để loại bỏ Pb (II) khỏi môi
trường nước và nước thải công nghiệp. [68]
Somnath Ghosh và các cộng sự đã tạo ra vật liệu nano compozit silica/bạc
nhằm vào mục tiêu lọc nước có chứa vi khuẩn S. aureus và E. coli. [91]
 Trong lĩnh vực cơ khí
Các nhà khoa học của nhóm của khoa vật lý trường đại học Sumatera
Utara, Indonesia đã sử dụng tetraethyl orthosilicate (TEOs) bổ sung như tiền
chất silica trên các hạt nano từ tính (Fe 3O4) cho ứng dụng của chất bơi trơn
ferro. [92]
Nhóm nghiên cứu của nhà khoa học Yang Chen đã tổng hợp ra các hạt
mesoporous silica có lõi silic và kích thước nano với vỏ CeO 2 và ứng dụng
của chúng đối với chất mài mòn trong hóa học đánh bóng cơ khí. [93]
Norinsan Kamil Othman cùng với nhóm nghiên cứu của mình đã tổng hợp
được nano silica từ phế thải của nông nghiệp từ lúa để ứng dụng vào làm chất
ức chế chất chống ăn mòn tự nhiên. [94]
U. Vijayalakshmi và các cộng sự của mình đã tổng hợp được lớp phủ
composite (silica / titania / zirconia) trên Ti – 6Al – 4V lắng đọng bởi EPD có
tính chất cơ học riêng biệt làm cải thiện được khả năng chống ăn mòn của các
vật liệu lớp phủ ZrO2/ TiO2 đã thể hiện tính ăn mịn vượt trội do có tinh thể
cao lớn, cấu trúc độ đồng đều lớn và được phát hiện là hiệu quả hơn và có thể
hoạt động trong việc cấy ghép chỉnh hình, nha khoa và có tiềm năng cho các
ứng dụng y sinh. [95]
1.2.2. Ứng dụng trong lĩnh vực dầu mỏ

Nhóm nghiên cứu của Nguyễn Khánh Diệu Hồng thuộc viện Dầu khí Việt
Nam, trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã nghiên cứu và tổng hợp thành
công vật liệu nanosilica được chức hóa bề mặt để ứng dụng vào hấp thụ dầu
tràn trên bề mặt do các việc tràn dầu làm ảnh hưởng đến môi trường biển. [16]

17


Tác giả Jie Cao đã nghiên cứu và tổng hợp thành dung dịch nanosilica được
chức hóa amin và acrylamide dựa trên cở sở polyme để làm tăng khả năng thu
hồi dầu trong q trình sản xuất của nhà máy.[96]
Nhóm nhà khoa học của Heechan Cho đã sử dụng silica được tổng hợp từ
tro trấu và được chức hóa cùng với Fe 3O4 ở kích thước nano để ứng dụng
trong việc nâng cao sản xuất dầu khí. [97]
Fakoya và cộng sự của mình đã đề cập đến sự ảnh hưởng của các hạt
nanosilica đến cơng nghệ dầu khí và các ứng dụng thú vị của hạt nanosilica
trong khoan và chất lỏng nứt vỡ thủy lực, xi măng giếng dầu, thu hồi dầu (bao
gồm nghiên cứu vận chuyển và độ ổn định của bọt và nhũ tương), ức chế ăn
mòn, giảm độ nhớt của dầu nặng, phát hiện hydrocacbon, giải phóng mêtan từ
khí hydrat và giảm lực cản trong mơi trường xốp. [98]
1.2.3. Ứng dụng trong lĩnh vực y học
Tác giả Volodymyr Zaitsev cùng các cộng sự của mình đang nghiên cứu và
tổng hợp nanodiamond – nanosilica được chức hóa bằng TiO2 để thử nghiệm
được tính độc hại trên các tế bào ung thư có trong cơ thể người. [99]
Ling Li và cộng sự của mình đã chế tạo ra vật liệu siệu thuận từ từ nano
silica để tạo ra vật liệu nano compozit quercetin và catechin/PLGA để ứng
dụng trong các cách chữa trị về vấn đề tim mạch.[100]
Vào năm 2017, tác giả Dina A. Mosselhy cũng với các cộng sự của mình đã
tổng hợp thành cơng vật liệu composite Ag/SiO2 để ứng dụng trong y học để
kháng khuẩn và tương tác với các vi khuẩn đối với việc băng vết thương.

[101]
Trong nanomedicine silica đã trở thành một đối thủ cạnh tranh xuất sắc như
một chất mang nano, có thể nhắmm mục tiêu, cảm nhận, phát tín hiệu và giải
phóng thuốc, chất đánh dấu với các dược động học, dược lực học khác nhau,
để cải tiến các phương pháp điều trị, chẩn đốn được tối ưu hóa các loại bệnh
đã được nhóm tỏc gi M. Clara Gonỗalves nghiờn cu v phỏt trin. [102]
18


Phát triển các hạt nano silica trung tính làm chất mang cho hệ thống phân
phối thuốc đã tăng theo cấp số nhân trong thập kỷ qua. Trong nghiên cứu của
tác giả Zoilo Gonzalez tập trung vào việc tổng hợp chất mang silica bằng solgel từ tetraetyl orthosilicat (TEOS) như là tiền chất của silica và
cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) làm chất tạo lỗ và thu được hạt
nano silica có diện tích bề mặt cao 1480m 2/g thu được với kích thước lỗ từ
2,5–2,8nm để làm chất mang thuốc vào cơ thể con người để thuốc được đưa
tới đúng nơi đang bị bệnh. [103]
1.2.4. Ứng dụng trong lĩnh vực xây dựng
Nhà nghiên cứu Sakshi Gupta đã ứng dụng nano silica trong vữa xi măng
và bê tông tạo ra các khả năng mới để tăng cường các tính chất của vật liệu
cho mục đích xây dựng. Nano-silica là một vật liệu pozzolanic rất hoạt động,
thường bao gồm các hạt thủy tinh cực kỳ nhỏ hơn khoảng 1000 lần so với các
hạt xi măng thông thường. bổ sung một số lợi ích liên quan trực tiếp đến các
tính chất khác nhau như tính chất tươi, cơ học và độ bền của các vật liệu này.
[104]
Trong nghiên cứu của Manan Shah và cộng sự đã sử dụng nano silica được
bổ sung vào bùn xi măng giúp giảm đi thời gian đơng cứng và chi phí vốn đầu
từ bên cạnh đó nó giúp gia tăng cường độ nén, giảm độ xốp và tính thấm
trong xi măng và đảm bảo sự kết dính thích hợp và tính tồn vẹn của giếng
dầu tốt hơn.[105]
Nhóm tác giả Zonghui Zhou đã nghiên cứu việc ảnh hưởng của nano silica

đến yếu tố hóa học học và sự co rút thể tích của vật liệu tổng hợp gốc xi
măng, bê tông được kết quả là silica giúp sự co rút thể tích của xi măng, bê
tơng tăng lên và cịn giúp làm tặng sự hydrat hóa trong xi măng, bê tơng,
silica đóng vai trị quan trọng trong sự co ngót hóa học của xi măng, bê tông.
[106]

19


Trong nghiên cứu của khoa kỹ thuật xây dựng và môi trường của trường
đại học Khoa học và Công nghệ Na Uy đã tổng hợp ra vật liệu nano cách
nhiệt dựa trên Silica để làm vật liệu cho các tòa nhà phát thải năng lượng thấp
hoặc bằng không.[107]
1.2.5. Ứng dụng trong lĩnh vực năng lượng
Nhóm nghiên cứu của Weiwei Cai đã nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước
nano đến hiệu suất tổng hợp màng Nafion được biến đổi để ứng dụng cho pin
nhiên liệu.[108]
Nhà nghiên cứu Chuh-Yung Chen và cộng sự đã nghiên cứu để tổng hợp và
cho biết tính chất của màng tổng hợp sulfonated dựa trên HMS (arylene ether
sulfone) / silica nano-composite cho các ứng dụng DMFC.[109]
Các nhà khoa học của khoa Hóa học và Kỹ thuật Vật liệu, Đại học Konkuk
đã tổng hợp ra nano silica ghép với pyridinium và được ứng dụng của nó
trong hệ thống nano – gel cho pin mặt trời.[110]
Với như cầu sử dụng pin có dung lượng cao đang là xu thế sử dụng của thế
giới thì pin LIB dựa trên silica dự kiến sẽ tăng đáng kể (việc bổ sung silica
vào anot than chì trong LIB làm tăng ít nhất 30% –40% công suất) và ERSiO 2
là một con đường tiềm năng khác để sản xuất nano-MG-Si cho pin LIB là hai
loại pin đang đạt phát triển và có nhu cầu sử dụng cao thì được 2 nhà khoa
học là Xiaopeng Li1 and Ralf B. Wehrspohn nghiên cứu và phát triển.[111]
1.2.6. Ứng dụng trong lĩnh cực thực phẩm

Trong nghiên cứu của ông Vijaya K. Rangari và cộng sự đã tổng hợp ra vật
liệu compozit dạng phim từ nano slica – carbon – bạc để ứng dung trong đóng
gói thực phẩm.[112]

20


1.2.7. Ứng dụng trong lĩnh vực nơng nghiệp
Nhóm tác giả của Tao Li và công sự đã được sử dụng để ổn định Cd lâu dài
trong đất nông nghiệp bằng cách sử dụng nano silica có chức năng mercapto
(MPTS/nanosilica). [113]
1.2.8. Ứng dụng trong lĩnh vực chất xúc tác
Vào năm 2019, Majid Moghadam và cộng sự của mình đã nghiên cứu để
tổng hợp và mơ tả đặc tính của một loại poly mới (phức hợp N–heterocyclic
carbene Cu được cố định trên nano silica: Cu II –NHCs)n.nSiO2 và nó được
dùng làm chất xúc tác và có thể tái sử dụng trong quá trình tổng hợp
benzimidazoles, benzothiazoles, 1,2,3–triazoles, bis–triazoles và phản ứng
Sonogashira–Hagihara.[114]
Piqi Zhao và cộng sự của mình đã tổng hợp vật liệu composite silica
aerogel/nano-TiO2 được đánh giá cao trong việc ứng dụng nó làm lớp phủ
quang xúc tác (cơng nghệ lọc khơng khí/nước) làm gia tăng tốc tốc độ của q
trình oxy hóa và phân hủy các chất hữu cơ gây ơ nhiễm môi trường để tạo
thành CO2, nước và các chất vơ hại khác. [115]
Nhóm nghiên cứu của tác Dawood Elhamifar đã nghiên cứu chế tạo thành
cơng Fe3O4/SiO2 có cấu trúc lõi-vỏ - được hỗ trợ IL/[Mo 6O19] đây là một chất
xúc tác nano mới có thể thu hồi từ tính để điều chế các dihydropyrimidinones
hoạt tính sinh học. [116]
1.2.9. Ứng dụng trong một số lĩnh vực khác:
Trong nghiên cứu của ông Dangge Gao và các cộng sự của mình đã bào
chế ra chất đồng trùng hợp epoxy – acrylit/nano silica để làm chất kết dính

trong cơng nghệ in ấn.[117]
Nhóm nghiên cứu khoa học của tác giả Abdelghaffar S.Dhmees đã chế tạo
thành cơng hạt silica từ xỉ lị cao trong cơng nghiệp đốt để hấp phụ azo có

21


trong thuốc nhuộm của các nhà mày nhuộm với chi phí xử lý nhưng hiệu quả
rất cao khoảng 90%. [118]
SharonBretler cùng cộng sự của mình đang nghiên cứu lớp phủ mỏng từ
hạt silica/hạt nano trên màng polymer ứng dụng chống sương mù để sản xuất
dụng cụ y tế (mặt nạ bảo vệ), lớp phủ mặt kính xe ơ tơ. [119]
Tác giả Zain H. Yamani đã nghiên cứu thành công dung dịch keo của các
chấm lượng tử ZnO phát quang được nhúng vào silica để làm máy dò nano
cho các ứng dụng viễn thám. [120]
Nhà nghiên cứu khoa học Majid Moghadamb cùng các cộng sự của mình
đã chế tạo được vật liệu Palađi/nano – silica và ứng dụng hoạt tính của nó
trong các phản ứng Sonogashira cross–coupling [121]. Cũng bên cạnh đó tác
giả Chun Cai cũng chế tạo được vật liệu nano palladium được đính perfluoro
và cố định trên silica gel mềm để ứng dụng trong phản ứng Suzuki – Miyaura.
[122]
Hiện nay công nghệ ô tô hiện nay đang là ngành cơng nghiệp hàng đầu trên
tồn thế giới thì silica cũng được ứng dụng vào làm lớp phủ cho vỏ xe tăng độ
bền cho lớp sơn của, là thành phần tăng độ bền cho lốp ơ tơ. [123]
Nhóm nghiên cứu của Xiaoxuan Liu đã tổng hợp nanosilica được ghép
polystyrene thông qua phản ứng ghép nối gốc nitroxide và ứng dụng của nó
trong các hệ thống phủ acrylate có thể chống được tia cực tím (UV) trong các
lớp phủ của pin mặt trời.[124]
Jamal Davarpanah và các cộng sự đã tổng hợp thành cơng và cho biết các
đặc tính của chất xúc tác axit nano có nguồn gốc từ silica trấu và ứng dụng

của nó để tổng hợp các hợp chất 3,4-dihydropyrimidinones / thiones. [125]
Yoshitake Masuda cùng với cộng sự của ông đã chế tạo ra cấu trúc nano
silica có trật tự sắp xếp cao và nó được ứng dụng vào trong tổng hợp màng
kép TiO2/SiO2 để làm vật liệu chống ăn mòn, làm màng phim kết hợp với PET
để sản xuất thiết bị chống sương mù. [126]
22


Nhóm nghiên cứu của Zhang Chunhong đã biến tính bề mặt của nano-silica
bằng diisocyanat để sử dụng làm ma trận polyimide để tăng cường các đặc
tính về cơ học, nhiệt và độ chống nước cho các vật liệu. [127]
Để xử lý cặn canxi sunfat (CaSO4) ở nhiệt độ cao có trong q trình bơm
nước có độ mặn cạo thì nhóm nghiên cứu của Abdolhossein HemmatiSarapardeh đã sử dụng nano silica đưa vào để xử lý cặn với khả năng thành
công hơn 90%. [128]
1.3. Tổng hợp vật liệu compozit từ nano silica
Vật liệu compozit là loại vật liệu tổng hợp từ hai hay nhiều loại vật liệu
khác nhau để kết hợp các tính năng của vật liệu lại với nhau tạo thành loại vật
liệu mới có ưu điểm của cả hai. Vì vậy nano silica cũng được ứng dụng trong
tổng hợp vật liệu compozit để tận dụng triệt để các tính năng của nó.
Nguyễn Khánh Diệu Hồng và Hồng Thị Phương đã nghiên cứu tổng hợp
ra vật liệu nano silica được chức hóa bề mặt để hấp thu dầu [16] với cách sau:
Vật liệu nanosilica được chế tạo theo phương pháp hóa ướt sử dụng
tiền chất TEOS, dung mơi nước kết hợp với etanol, xúc tác là dung dịch
NH3, chất hoạt động bề mặt CTAB. Hỗn hợp tiền chất, dung môi, xúc tác
và chất hoạt đồng bề mặt được tính tốn và pha trộn theo lượng và quy
trình đã tìm ra trong bài báo. Quy trình chức hóa vật liệu nanosilica được
thực hiện theo các bước sau:
Cân chính xác 4 g vật liệu nanosilica cho vào cốc. Cân tiếp một lượng
chính xác 1 g polydimetylsiloxan cho vào cốc chứa nanosilica. Hỗn hợp
được phân tán trong 50 ml n-hexan, khuấy trộn đều.

Hỗn hợp tiếp tục được khuấy trộn tại nhiệt độ phòng cho đến khi nhexan tự bay hơi hết. Sau đó đưa hỗn hợp vào tủ sấy tại nhiệt độ 100 oC
trong thời gian 5 giờ. Hỗn hợp sau khi sấy được nghiền mịn rồi đưa vào
cốc nung, nung tại nhiệt độ 350oC trong thời gian 4 giờ trong lò nung, đặt
23