Nghiên cứu điều chế vật liệu nano lưỡng kim fe ni và ứng dụng để xử lý dichromat trong nước

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
KHOA HÓA HỌC
---------------------------

NGUYỄN THỊ KIM HOÀNG

NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ VẬT LIỆU
NANO LƯỠNG KIM Fe-Ni
VÀ ỨNG DỤNG ĐỂ XỬ LÝ DICHROMAT TRONG NƯỚC

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
CỬ NHÂN KHOA HỌC

Đà Nẵng,năm 2017


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
KHOA HÓA HỌC
---------------------------

NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ VẬT LIỆU
NANO LƯỠNG KIM Fe-Ni
VÀ ỨNG DỤNG ĐỂ XỬ LÝ DICHROMAT TRONG NƯỚC

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
CỬ NHÂN KHOA HỌC

Sinh viên thực hiện:

NGUYỄN THỊ KIM HỒNG

Chun ngành:

Hóa Phân tích – Mơi trường

Lớp:

13CHP

Giảng viên hướng dẫn:

TS. BÙI XN VỮNG

Đà Nẵng, năm 2017


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

CỘNG HOÀ XÃ HỘi CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐHSP

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

KHOA HOÁ

NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: NGUYỄN THỊ KIM HOÀNG
Lớp:

13CHP

1. Tên đề tài: “Nghiên cứu điều chế vật liệu Nano lưỡng kim Fe-Ni và ứng dụng
để xử lý dichromat trong nước”
2. Hóa chất, dụng cụ, thiết bị
2.1. Hóa chất
- Tinh thể K2Cr2O7

- Hồ tinh bột

- Tinh thể FeSO4.7H2O

- Cồn tuyệt đối

- Tinh thể NiSO4.6H2O

- Khí Argon

- NaBH4 rắn
2.2. Dụng cụ, thiết bị
- Máy khuấy từ

- Máy quang phổ hấp thụ phân tử

- Cân phân tích

UV-Vis Lambda – 25

- Tủ sấy

- Các dụng cụ thủy tinh (cốc thủy

- Máy ly tâm

tinh, bình tam giác, bình định mức,

- Máy đo pH

pipet…)

- Máy chụp nhiễu xạ tia X (XRD)
3. Nội dung nghiên cứu:
- Nghiên cứu điều chế vật liệu Nano lưỡng kim Fe-Ni và các đặc trưng của sản
phẩm điều chế.
- Khảo sát sự ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý dichromat Cr2O72-của Nano
lưỡng kim Fe-Ni.
- Khảo sát sự ảnh hưởng của nồng độ dichromat Cr2O72- ban đầu đến hiệu suất xử
lý dichromat Cr2O72- bằng Nano lưỡng kim Fe-Ni .


- Khảo sát sự ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất xử lý dichromat Cr2O72-của
Nano lưỡng kim Fe-Ni
- Khảo sát sự ảnh hưởng của khối lượng vật liệu Nano lưỡng kim Fe-Ni đến hiệu
suất xử lý dichromat Cr2O72-của Nano lưỡng kim Fe-Ni.
- Xử lý số liệu.
4. Giáo viên hướng dẫn: TS. Bùi Xuân Vững
5. Ngày giao đề tài: Ngày
6. Ngày hoàn thành: Ngày

tháng
tháng

năm 2016
năm 2017

Chủ nhiệm Khoa

Giáo viên hướng dẫn

(Ký và ghi rõ họ, tên)

(Ký và ghi rõ họ, tên)

PGS.TS Lê Tự Hải

TS. Bùi Xuân Vững

Sinh viên đã hoàn thành và nộp báo cáo cho Khoa ngày....tháng...năm ....
Kết quả điểm đánh giá:

Ngày......tháng.....năm......

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
(Ký và ghi rõ họ tên)


LỜI CẢM ƠN
Được sự đồng ý của khoa Hóa học, trường Đại học Sư phạm – Đại học Đà
Nẵng và sự hướng dẫn của giáo viên hướng dẫn TS. Bùi Xuân Vững, tôi đã thực

hiện đề tài: “Nghiên cứu điều chế vật liệu Nano lưỡng kim Fe-Ni và ứng dụng
để xử lý dichromat trong nước”.
Đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sự tri ân sâu sắc đến các thầy
cô của trường Đại học Sư Phạm Đà Nẵng đặc biệt là giảng viên TS. Bùi Xuân Vững
đã ln tận tình hướng dẫn tơi hồn thành tốt bài báo cáo khóa luận này.
Tơi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cơ phụ trách phịng thí nghiệm đã
tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian vừa qua.
Quá trình đi vào nghiên cứu và báo cáo được thực hiện trong khoảng thời
gian 5 tháng. Bước đầu thực hiện tìm hiểu về việc nghiên cứu điều chế kiến thức
của tơi cịn hạn chế và nhiều bỡ ngỡ. Do vậy khơng tránh khỏi những thiếu sót là
điều chắc chắn, rất mong nhận được những ý kiến đóng góp q báu của q thầy
cơ và các bạn học cùng lớp để kiến thức của tôi trong lĩnh vực này được hồn thiện
hơn.
Sau cùng, tơi xin kính chúc q thầy cô trong khoa thật dồi dào sức khỏe,
niềm tin để tiếp tục thực hiện sứ mệnh cao đẹp của mình là truyền đạt kiến thức cho
thế hệ mai sau. Trân trọng
Đà Nẵng ngày 10 tháng 4 năm 2017
Sinh viên thực hiện

Nguyễn Thị Kim Hoàng


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1
1. Tính cấp thiết của đề tài ....................................................................................... 1
2. Mục đích nghiên cứu ........................................................................................... 2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ........................................................................ 2
3.1. Đối tượng nghiên cứu ....................................................................................... 2
3.2. Phạm vi nghiên cứu .......................................................................................... 2
4. Phương pháp nghiên cứu ..................................................................................... 2

4.1. Nghiên cứu lý thuyết......................................................................................... 2
4.2. Nghiên cứu thực nghiêm ................................................................................... 3
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài .............................................................. 3
5.1. Ý nghĩa khoa học .............................................................................................. 3
5.2. Ý nghĩa thực tiễn .............................................................................................. 3
Chương 1: TỔNG QUAN........................................................................................ 4
1.1. Tổng quan về crom ........................................................................................... 4
1.1.1. Nguồn gốc, tính chất hóa lý, các dạng tồn tại của crom .................................. 4
1.1.1.1. Tính chất vật lý .......................................................................................... 4
1.1.1.2. Tính chất hóa học ....................................................................................... 4
1.1.1.3. Các hợp chất quan trọng của Crom ........................................................... 4
1.1.2. Nguyên nhân gây ô nhiễm crom ở trong nước ............................................... 5
1.1.2.1. Sự lắng đọng từ khí quyển .......................................................................... 6
1.1.2.2. Hoạt động cơng nghiệp ............................................................................... 7
1.1.2.3. Khai thác mỏ kim loại ................................................................................. 7
1.1.2.4. Công nghiệp hóa chất ................................................................................. 7
1.1.2.5. Phân bón nơng nghiệp ................................................................................ 7
1.1.2.6. Trầm tích ao hồ, sơng suối .......................................................................... 8
1.1.2.7. Q trình xử lý chất thải trong đất: Nước thải, bùn thải, phế liệu. .............. 8
1.1.3. Ảnh hưởng độc hại của Crom đối với con người và sinh vật .......................... 9
1.1.3.1. Với sinh vật ................................................................................................. 9
1.1.3.2. Với con người ............................................................................................. 9


1.2. Một số phương pháp xử lý nước thải ô nhiễm kim loại nặng ........................... 11
1.2.1. Phương pháp xử lý lý học ............................................................................ 11
1.2.2. Phương pháp xử lý hóa học và hóa lý .......................................................... 12
1.2.2.1. Trung hịa ................................................................................................. 12
1.2.2.2. Keo tụ – tạo bông...................................................................................... 12
1.2.2.3. Khử ........................................................................................................... 12

1.2.2.4. Trao đổi ion .............................................................................................. 13
1.3. Khái quát về nano ........................................................................................... 13
1.3.1. Công nghệ nano ........................................................................................... 13
1.3.2. Vật liệu nano ............................................................................................... 13
1.3.2.1. Khái niệm ................................................................................................. 13
1.3.2.2. Tính chất của vật liệu nano ....................................................................... 13
1.3.2.3. Các phương pháp chế tạo vật liệu nano .................................................... 14
1.3.2.4. Một số ứng dụng của vật liệu nano ........................................................... 15
1.3.3. Giới thiệu về vật liệu chứa sắt nano và nano lưỡng kim ............................... 18
1.3.3.1. Tính chất của hạt sắt nano ....................................................................... 18
1.3.3.2. Tính chất của hạt nano lưỡng kim ............................................................ 19
Chương 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..................... 21
2.1. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................ 21
2.1.1. Hóa chất và thiết bị ...................................................................................... 21
2.1.1.1. Hóa chất ................................................................................................... 21
2.1.1.2. Thiết bị dụng cụ ........................................................................................ 21
2.1.2. Chuẩn bị dung dịch ...................................................................................... 21
2.1.2.1. Dung dịch chuẩn gốc Cr2O72- 1000 ppm ................................................... 21
2.1.2.2. Dung dịch chuẩn K2Cr2O7 100 ppm từ dung dịch chuẩn gốc ................... 21
2.1.2.3. Dung dịch HCl 0.1M ................................................................................. 21
2.1.2.4. Dung dịch NaOH 0.1M ............................................................................. 26
2.1.2.5. Dung dịch hồ tinh bột 2% - Starch Soluble (C6H10O5)n ............................. 26
2.1.3. Điều chế vật liệu nano lưỡng kim Fe-Ni ...................................................... 26
2.1.3.1. Nguyên tắc:............................................................................................... 26


2.1.3.2. Phân tích đặc tính của vật liệu .................................................................. 27
2.1.4. Xây dựng phương pháp................................................................................ 28
2.1.5. Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý nước ô nhiễm Cr(VI)
bằng nano lưỡng kim Fe-Ni (với mẫu nước tự tạo trong phịng thí nghiệm) ........... 28

2.1.5.1. Khảo sát ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý nước ô nhiễm Cr(VI) bằng
nano lưỡng kim Fe-Ni............................................................................................ 29
2.1.5.2. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất xử lý nước ô nhiễm Cr(VI)
bằng nano Fe-Ni.................................................................................................... 29
2.1.5.3. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ chất ô nhiễm đến hiệu suất xử lý nước ô
nhiễm Cr(VI) bằng nano lưỡng kim Fe-Ni. ............................................................ 30
2.1.5.4. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng vật liệu đến hiệu suất xử lý nước ô
nhiễm Cr(VI) bằng nano lưỡng kim Fe-Ni ............................................................. 30
2.1.6. Tính tốn ..................................................................................................... 30
Chương 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN .................................... 31
3.1. Kết quả điều chế nano lưỡng kim Fe-Ni.......................................................... 31
3.1. Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình xử lý nước ô nhiễm Cr(VI)
bằng nano lưỡng kim Fe-Ni ................................................................................... 33
3.1.1. Xây dựng đường chuẩn của Dichromat ........................................................ 33
3.1.2. Khảo sát ảnh hưởng của pH dung dịch đến hiệu suất xử lý Cr(VI) bằng nano
lưỡng kim .............................................................................................................. 34
3.1.3. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến hiệu suất xử lý Cr(VI) bằng
nano lưỡng kim Fe-Ni ........................................................................................... 36
3.1.4. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ Cr(VI) ban đầu đến hiệu suất xử lý Cr(VI)
bằng nano lưỡng kim Fe-Ni ................................................................................... 37
3.1.5. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng nano đến hiệu suất xử lý Cr(VI) bằng sắt
nano và nano lưỡng kim ........................................................................................ 39
KẾT LUẬN ........................................................................................................... 42
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 43


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Lượng thải Crom vào khí quyển từ các nguồn tự nhiên và do con người
vào năm 1983………………………………………………………………………………..6
Bảng 1.2. Hàm lượng Cr vào đất từ nguồn nông nghiệp............................................8

Bảng 1.3. Trị số trung bình Cr trong bùn, cống rãnh thành phố………………….….8
Bảng 1.4. Hàm lượng Cr trong bùn thải tồn cầu………………………………….8
Bảng 1.5. Các chất và hợp chất có thể xử lý bằng Fe0 nano .................................. 17
Bảng 2.1. Quy trình tiên hành pha dãy dung dịch chuẩn Cr(VI) ............................ 28
Bảng 3.1. Mật độ quang của dãy dung dịch chuẩn Dichromat ............................... 33
Bảng 3.2. Ảnh hưởng của pH dung dịch đến hiệu suất xử lý Cr(VI……………….35
Bảng 3.3. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến hiệu suất xử lý Cr(VI)……...…36
Bảng 3.4. Ảnh hưởng của nồng độ Cr(VI) ban đầu đến hiệu suất xử lý Cr(VI)....... 38
Bảng 3.5. Ảnh hưởng của hàm lượng nano đến hiệu suất xử lý Cr(VI) .................. 40


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Viêm da tiếp xúc do Crom ...................................................................... 13
Hình 1.2. Ứng dụng của sắt nano trong mơi trường............................................... 15
Hình 1.3. Mơ hình cấu tạo hạt Sắt nano và các phản ứng khử xảy ......................... 18
Hình 2.1. Quy trình điều chế nano lưỡng kim Fe-Ni .............................................. 27
Hình 3.1. Ảnh nhiễu xạ tia X của nano lưỡng kim Fe-Ni của N.Boudinar...............31
Hình 3.2. Ảnh thực tế của vật liệu nano Fe-Ni ....................................................... 32
Hình 3.3. Dãy dung dịch chuẩn dichromat Cr2O72- ................................................ 33
Hình 3.4. Phương trình đường chuẩn Dichromat................................................... 34
Hình 3.5. Ảnh hưởng của pH dung dịch đến hiệu suất xử lý Cr(VI) ....................... 35
Hình 3.6. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến hiệu suất xử lý Cr(VI) ............... 37
Hình 3.7. Ảnh hưởng của nồng độ Cr(VI) ban đầu đến hiệu suất xử lý Cr(VI) ....... 39
Hình 3.8. Ảnh hưởng của hàm lượng nano đến hiệu suất xử lý Cr(VI) ................... 40
Hình 3.9. Dung dịch Cr2O72- trước xử lý (30ppm và sau khi xử lý(trái) ………….41


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

ZVI

Zerovalent iron/ Fe0

nZVI

Nano Zerovalent iron

XRD

Nhiễu xạ tia X (X-ray diffraction)

UV

Ultra Violet (Tia tử ngoại/Tia cực tím)

VIS

Visibility Spectrum (Ánh sáng khả kiến)

IARC

Cơ quan nghiên cứu ung thư quốc tế

SEM

Kính hiển vi điện tử quét

TEM

Kính hiển vi điện tử truyền qua

Báo cáo khóa luận tốt nghiệp

GVHD: TS. Bùi Xuân Vững

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay, cùng với sự phát triển kinh tế, khoa học kĩ thuật và cuộc sống
của con người được nâng cao, thì nhu cầu về nước ngày càng nhiều, song song với
việc đó thì sự ô nhiễm môi trường nước càng xảy ra ngày một nghiêm trọng hơn,
đặc biệt là nước bị ô nhiễm bởi các kim loại nặng đang là vấn đề được cả thế giới
quan tâm. Các nguồn gây ô nhiễm của nước chính là do các hoạt động của con
người và các chất thải từ các khu công nghiệp như ngành luyện kim, thuộc da, mạ
điện, dệt nhuộm, khai thác mỏ…Vì vậy vấn đề nghiên cứu tìm kiếm cơng nghệ,
phương pháp để ngăn chặn và xử lý sự ô nhiễm môi trường đang diễn ra mạnh mẽ
và tích cực, đặc biệt với các chất gây độc ở hàm lượng vết trong nước, tiêu biểu là
crom.
Crom, với tầm kinh tế quan trọng của nó đang được áp dụng rộng rãi trong
các ngành cơng nghiệp. Nó là một trong những chất gây ơ nhiễm tồi tệ nhất mà có
độc tính cao với cuộc sống con người và thủy sinh. Với nồng độ crom cao trong cơ
thể con người có thể gây ra vấn đề sức khỏe như các vấn đề về đường hô hấp, ung
thư, phát ban da, và tổn thương gan. Crom tồn tại trong vùng nước tự nhiên ở hai
trạng thái oxy hóa, Cr(III) và Cr(VI), Cr(VI) loại cromat (CrO42- ,HCrO4-) và
dichromat (Cr2O72- ) đều là những chất linh động đáng kể và hịa tan trong mơi
trường nước và đất. Cr(VI) độc hại gấp nhiều lần so với Cr(III) do tính chất gây ung
thư và đột biến của nó. Vì những vấn đề trên, cho thấy sự cần thiết và cấp bách để
loại bỏ sự ảnh hưởng của Cr(VI) trong dung dịch nước.
Gần đây các nhà nghiên cứu đã sử dụng Feo có kích thước hạt nano (nZVI)
có lợi thế về diện tích bề mặt phản ứng lớn và mức độ phản ứng ở bề mặt cao, do đó

phản ứng hóa học có hiệu quả trong việc loại bỏ Cr(VI). Tuy nhiên, nZVI có một số
thiếu sót trong xử lý mơi trường thực tế. Ví dụ, tốc độ khử Cr(VI) bằng nZVI vẫn
cịn rất chậm trong dung dịch nước. Ngồi ra, một hydroxit hoặc sự hình thành các
lớp oxit trên bề mặt của nZVI trong phản ứng, làm giảm đáng kể hiệu suất của quá
trình xử lý Cr(VI) của các hạt nZVI. Để cải thiện khả năng phản ứng của nZVI, một
kim loại xúc tác thứ hai, như Pd hoặc Ni, thường được bổ sung, tạo ra hạt lưỡng
SVTH: Nguyễn Thị Kim Hoàng

Trang 1


Báo cáo khóa luận tốt nghiệp

GVHD: TS. Bùi Xuân Vững

kim nano Fe-Pd hay Fe-Ni đã được dùng để xử lý các chất ô nhiễm. Là một kim loại
quý, Pd thể hiện sự xúc tác cho quá trình loại bỏ Cr(VI) tốt hơn so với Ni nhưng vì
chi phí cao đã làm hạn chế đáng kể ứng dụng rộng rãi của nó. Tương tự như Pd, Ni
như một kim loại xúc tác cũng đã được sử dụng rộng rãi cho việc loại bỏ các hợp
chất hữu cơ trong nhiều ngành công nghiệp. Quan trọng hơn là nó có chi phí thấp
hơn và khả năng chống ăn mịn tốt hơn, khiến nó phù hợp hơn cho xử lý nước thải.
Hạt lưỡng kim nano Fe-Ni làm cho nZVI ổn định hơn trong không khí chống lại
q trình oxy hóa trong một số trường hợp và cải thiện các phản ứng hóa học.
Trên những cơ sở đó, tơi xin chọn đề tài: “Nghiên cứu điều chế nano lưỡng
kim Fe-Ni và sử dụng để xử lý Dichromat trong nước”
2. Mục đích nghiên cứu
-

Nghiên cứu quá trình chế tạo nano lưỡng kim Fe-Ni và phân tích các đặc

điểm của vật liêu bằng phương pháp đo nhiễu xạ tia X
-

Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý nước ô nhiễm

dichromat bằng nano Fe-Ni từ đó đưa ra các thơng số tối ưu nhất cho phương pháp
này.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
3.1. Đối tượng nghiên cứu
-

Điều chế Nano lưỡng kim Fe-Ni.

-

Tiến hành xử lý trên mẫu giả chứa Dichromat

3.2. Phạm vi nghiên cứu
- Phương pháp và quy trình điều chế Nano Fe-Ni từ muối FeSO4.7H2O và
NiSO4.6H2O.
- Sử dụng Nano Fe-Ni để xử lý Dichromat trong mẫu giả tại phịng thí nghiệm.
- Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý Dichromat với các thông số
như pH, thời gian phản ứng, nồng độ Dichromat ban đầu, hàm lượng nano sử dụng.
4. Phương pháp nghiên cứu
4.1. Nghiên cứu lý thuyết
- Thu thập các thông tin, tài liệu liên quan đến đề tài.
- Nghiên cứu tính chất và tác hại của dichromat và nước thải có chứa dichromat.
SVTH: Nguyễn Thị Kim Hoàng

Trang 2

Báo cáo khóa luận tốt nghiệp

GVHD: TS. Bùi Xuân Vững

- Tổng hợp phân tích, so sánh và đánh giá lựa chọn hướng nghiên cứu phù hợp.
- Các phương pháp khử hóa nâng cao xử lý dichromat.
- Trao đổi, thảo luận với giáo viên hướng dẫn.
4.2. Nghiên cứu thực nghiêm
- Điều chế Nano Fe-Ni từ 2 muối FeSO4.7H2O và NiSO4.6H2O.
- Xác định cấu trúc tinh thể của sản phẩm Nano bằng phương pháp đo nhiễu xạ
tia X (XRD)
- Sử dụng phương pháp đo quang phổ UV-Vis để khảo sát khả năng xử lý
Dichromat bằng Nano Fe-Ni đã điều chế được.Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến
hiệu quả của quá trình xử lý với các thông số như ảnh hưởng thời gian phản ứng,
ảnh hưởng của pH, ảnh hưởng hàm lượng vật liệu, ảnh hưởng của nồng độ ban đầu
của Dichromat.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
5.1. Ý nghĩa khoa học
- Nghiên cứu quy trình điều chế vật liệu nano lưỡng kim Fe-Ni.
- Nghiên cứu khả năngxử lý dichromat (Cr2O72-) của vật liệu nano lưỡng kim
Fe-Ni đã điều chế được.
5.2. Ý nghĩa thực tiễn
- Tạo ra nguồn vật liệu nano lưỡng kim Fe-Ni phục vụ cho công tác làm sạch
môi trường.
- Nghiên cứu này nhằm đưa đến một phương án xử lý nước thải: đơn giản, rẻ tiền,
hiệu suất cao.
- Dùng phương pháp thống kê xử lý số liệu để xử lý kết quả thu được, tính được
hiệu suất xử lý cực đại.

SVTH: Nguyễn Thị Kim Hoàng

Trang 3


Báo cáo khóa luận tốt nghiệp

GVHD: TS. Bùi Xuân Vững

Chương 1: TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về crom
1.1.1. Nguồn gốc, tính chất hóa lý, các dạng tồn tại của crom
1.1.1.1. Tính chất vật lý [6]
Crom nguồn gốc tự nhiên là sự hợp thành của 3 đồng vị ổn định; 52Cr, 53Cr
và 54Cr với 52Cr là phổ biến nhất (83,789%). Là kim loại cứng, màu xám thép với độ
bóng cao, dễ rèn. Cr có nhiệt độ nóng chảy là 1875ºC; nhiệt độ sơi là 2197ºC.
1.1.1.2. Tính chất hóa học [6]
Crom thuộc chu kì 4, nhóm VIB. Khối lượng phân tử là 51,9661 đvC, là
nguyên tố có số thứ tự 24 trong bảng hệ thống tuần hồn các ngun tố hóa học.
Các trạng thái oxi hóa phổ biến của Cr là +2, +3 và +6 trong đó Cr+3 là ổn định nhất.
Ngồi ra trong các hợp chất crom cịn có các số oxi hóa là +1; +4 và +5 nhưng khá
hiếm. Các hợp chất của Cr ở trạng thái oxi hóa +6 là những chất có tính oxi hóa
mạnh.
Trong khơng khí, Cr được oxy thụ động hóa, tạo thành một lớp mỏng oxit
bảo vệ trên bề mặt, ngăn chặn q trình oxi hóa xảy ra tiếp. Crom không phản ứng
trực tiếp với hơi H2O do có lớp oxit bảo vệ. Ở điều kiện thường không phản ứng với
O2, nhưng khi đốt cháy trong khơng khí tạo thành Cr2O3. Ở nhiệt độ cao, Cr phản
ứng với các halogen. Crom thụ động trong axit HNO3 đặc nguội, H2SO4 đặc nguội.
Crom tan trong dung dịch kiềm, tác dụng với muối của những kim loại có thế tiêu

chuẩn cao hơn tạo thành muối Cr(II).
1.1.1.3. Các hợp chất quan trọng của Crom [6]; [14]
Hợp chất Cr(III)
Trong môi trường nước, Cr(III) có thể ở dạng Cr3+, Cr(OH)2+ và Cr(OH)4─.
Ngồi ra, trong giai đoạn kết tủa Cr(OH)3 chiếm ưu thế ở pH từ 612. Trong điều
kiện axit và kiềm nhẹ, có Fe(II), Cr(III) có thể kết tủa như một hỗn hợp hydroxit vơ
định hình Crx Fe1─x(OH)3.
Cr(III) dễ tạo phức với một số phối tử như: hydroxyl, sulfat, amoni(NH4),
xyanua và sunfocyanua, florua, clorua (ở mức thấp hơn) và các phối tử hữu cơ tự
nhiên và tổng hợp. Trong nước ngầm ở pH >4, nồng độ Cr(III) bị hạn chế và làm
SVTH: Nguyễn Thị Kim Hoàng

Trang 4


Báo cáo khóa luận tốt nghiệp

GVHD: TS. Bùi Xuân Vững

giảm khả năng hồ tan. Cr(III) có độ tan thấp khi ở thể rắn như Cr2O3 và
Cr(OH)3.[6]


Đó là lý do tại sao Cr(III) thường chiếm tỷ lệ % nhỏ trong tổng nồng

độ Cr trong tự nhiên hoặc nước bị ô nhiễm. Cr(III) có xu hướng ổn định trong hầu
hết nước ngầm vì chúng có tính hồ tan thấp.
Hợp chất Cr(VI)
Cr(VI) có mặt trong dung dịch ở các dạng H2CrO40, HCrO4─(cromat),
CrO42─(cromat), Cr2O72─(dichromat).

Khả năng hồ tan của Cr(VI) trong nước ngầm là khơng hạn chế. Ion cromat
CrO42─và ion dichromat Cr2O72─ hoà tan trong nước ở tất cả các độ pH. Tuy nhiên,
cromat có thể tồn tại như một muối khơng hồ tan của một số loại cation hoá trị 2
như Ba2+, Sr2+, Pb2+, Zn2+.
Tốc độ của phản ứng kết tủa hoà tan giữa cromat, ion dichromat và những
cation khác phụ thuộc rất nhiều vào độ pH. Các phản ứng hoà tan là một phần quan
trọng trong việc đánh giá tác động môi trường của Cr bởi vì Cr(VI) thường đi vào
mơi trường đất bằng cách hồ tan muối cromat (Ví dụ SrCrO4) [6].
1.1.2. Nguyên nhân gây ô nhiễm crom ở trong nước [6] ; [7]
Sự tập trung cơng nghiệp và đơ thị hố cao độ gây tác động lớn đối với môi
trường, trong đó có mơi trường nước. Các dịng xả nước thải gây ô nhiễm môi
trường nước mặt, nước ngầm, gây ô nhiễm đất. Trong đó:
- Sinh hoạt đơ thị thải ra một lượng tương đối lớn, khoảng 80% lượng nước cấp.
Lượng nước thải này xả trực tiếp ra nguồn tiếp nhận mà khơng có bất kỳ một biện
pháp xử lý nào. Nước thải sinh hoạt chủ yếu chứa các chất ô nhiễm hữu cơ.
- Nước thải từ các cơ sở công nghiệp, thủ công nghiệp, đều chưa qua xử lý hoặc
chỉ xử lý sơ bộ. Các chất ô nhiễm trong nước thải cơng nghiệp rất đa dạng, có cả
chất hữu cơ, dầu mỡ, kim loại nặng,...
- Nước mưa chảy tràn, đặc biệt là nước mưa đợt đầu. Nước thải sinh hoạt ở các
thành phố là một nguyên nhân chính gây nên tình trạng ơ nhiễm nước và vấn đề này
có xu hướng càng ngày càng xấu đi. Nước thải và nước mưa, nhất là nước mưa đợt
đầu, đều không được xử lý.
SVTH: Nguyễn Thị Kim Hoàng

Trang 5


Báo cáo khóa luận tốt nghiệp

GVHD: TS. Bùi Xuân Vững

- Trong các đô thị, do dân số tăng nhanh, nhưng hệ thống thốt nước khơng
được cải tạo xây dựng kịp thời, nên nước thải trực tiếp chảy vào các sông mà khơng
được kiểm sốt chặt chẽ. Vấn đề càng xấu đi do sự quản lý chất thải rắn và xử lý
các chất thải công nghiệp không đầy đủ ở các thành phố lớn, thị xã và khu cơng
nghiệp, nên tình trạng ơ nhiễm vốn đã xấu, sẽ có chiều hướng nghiêm trọng hơn,
kéo theo là vấn đề sức khoẻ cộng đồng, cũng như chất lượng đời sống sẽ xấu đi.
1.1.2.1. Sự lắng đọng từ khí quyển [6]
Tổng lượng Cr lớn nhất được thải vào bầu khí quyển dưới dạng các hạt nhỏ
do ngành cơng nghiệp luyện kim, như từ lị luyện kim bằng hồ quang điện. Trong
một bảng kiểm kê về sự thải khơng khí của Mỹ, sản xuất Cr chứa sắt là phần quan
trọng nhất của các ngành quan trọng này, ước tính 12.360 tấn/năm.
Một nguồn quan trọng nữa của Cr trong khí quyển là sản xuất gạch chịu lửa,
thải 1.630 tấn/năm, sau đó là sự cháy của than đá thải ra 1.564 tấn/năm. Sản xuất
sắt thép thải ra 20 tấn/ năm. Tuy nhiên, một nghiên cứu gần đây kết luận rằng: công
nghiệp sắt và thép là nguồn Cr do con người thải ra lớn nhất trên toàn cầu.
Bảng 1.1. Lượng thải Crom vào khí quyển từ các nguồn tự nhiên và do con
người vào năm 1983
Nguồn phát thải

% Crom

Nguồn do các hoạt động của con người:
1.

Đốt than đá

2,92 – 19,63

2.

Đốt dầu

0,45 – 2,37

Các ngành công nghiệp luyện kim và sắt thép.

28,4

Việc đốt rác thành tro:
3.

Thành thị

0,098 – 0,98

4.

Rác, nước thải

0,15 – 0,45

5.

Sản xuất xi măng

0,89 – 1,78

Nguồn thiên nhiên:
6.

Thể vẩn trong đất

50

7.

Núi lửa

3,9
(Nguồn: Nriagu và Pacyna, 1986; Schmidt và Andren, 1987)

SVTH: Nguyễn Thị Kim Hoàng

Trang 6


Báo cáo khóa luận tốt nghiệp

GVHD: TS. Bùi Xuân Vững

1.1.2.2. Hoạt động công nghiệp [6]
Trong ngành luyện kim, Cr dùng để tăng cường khả năng chống ăn mịn và
đánh bóng bề mặt: như là một thành phần của hợp kim, chẳng hạn trong thép không
gỉ (một dạng hợp kim sắt chứa tối thiểu 10,5% crom) để làm dao, kéo.
Làm thuốc nhuộm và sơn: Ơxit Crơm (III) (Cr2O3) là chất đánh bóng kim
loại gọi là phấn lục. Các muối Cr nhuộm màu cho thủy tinh thành màu xanh lục
của ngọc lục bảo. Crom là thành phần tạo ra màu đỏ của hồng ngọc, vì thế nó được
sử dụng trong sản xuất hồng ngọc tổng hợp. Crom sulfat (III) (Cr2(SO4)3) được sử
dụng như là chất nhuộm màu xanh lục trong các loại sơn, đồ gốm sứ, vecni và mực.

 Crom được thải ra từ những hoạt động công nghiệp này xâm nhập và gây ô
nhiễm môi trường đất và nước, chúng rất khó phân hủy trong mơi trường đất, những
hợp chất của Cr như natri cromat (Na2CrO4), cromit hay sulphat crom tạo thành
những chất cặn lắng bền vững và tích lũy trong đất, nước.
1.1.2.3. Khai thác mỏ kim loại
Tác động hoá học của hoạt động khai thác Cr tới nguồn nước là sự phá vỡ
cấu trúc của đất đá chứa Cr khi tiến hành đào bới và khoan nổ sẽ thúc đẩy các q
trình hồ tan, rửa lũa các thành phần chứa trong quặng và đất đá, đổ các chất thải
vào nguồn nước, chất thải rắn, bụi thải không được quản lý, xử lý chặt chẽ, tham gia
vào thành phần nước mưa, nước chảy tràn cung cấp cho nguồn nước tự nhiên,… là
những tác động hố học làm thay đổi tính chất vật lý và thành phần hoá học của
nguồn nước xung quanh các khu mỏ.
1.1.2.4. Cơng nghiệp hóa chất
Kaki dichromat (K2Cr2O7) là một thuốc thử hóa học, được sử dụng trong quá
trình làm vệ sinh các thiết bị bằng thủy tinh trong phịng thí nghiệm cũng như trong
vai trị của một chất chuẩn độ.
1.1.2.5. Phân bón nơng nghiệp
Con người sử dụng phân bón có chứa Cr, khi bón vào đất, cây hấp thụ một phần
và phần cịn lại được tích tụ ở trong đất, sau đó được rửa trơi vào nguồn nước.

SVTH: Nguyễn Thị Kim Hoàng

Trang 7


Báo cáo khóa luận tốt nghiệp

GVHD: TS. Bùi Xuân Vững

Bảng 1.2. Hàm lượng Cr vào đất từ nguồn nông nghiệp

Hàm lượng Cr vào đất từ nguồn nơng nghiệp

µg/g

1.
2.
3.

Nước thải bùn
Phân ủ
Phân photphat

8 – 40.600
1,8 – 410
66 – 245

4.

Phân nitrat

3,2 – 19

(Nguồn: Data reviewed from a range of sources by Alloway and Fergusson (1990))
1.1.2.6. Trầm tích ao hồ, sơng suối
Các trầm tích ao hồ chứa Cr chủ yếu là do các q trình phong hóa, xói mịn
từ thượng nguồn hoặc do hoạt động sản xuất của con người trong đất dốc gần đó,
nhưng chủ yếu là từ nước thải cơng nghiệp khơng được xử lý triệt để.
 Do đó có hiện tượng keo tụ tự nhiên vùng cửa sông nên hàm lượng Cr trong
bùn đáy các vùng này thường cao.
1.1.2.7. Quá trình xử lý chất thải trong đất: Nước thải, bùn thải, phế liệu.

Bảng 1.3. Trị số trung bình Cr trong bùn, cống rãnh thành phố
Trị số trung bình Cr trong bùn, cống rãnh thành phố
1. Bùn cống rãnh thành phố
2. Bùn nhà máy dệt

(ppm)
104
249

3. Bùn nhà máy chế biến gỗ
117
4. Trong trầm tích bùn đáy từ việc lắng tụ của chất thải từ hoạt
30 – 450
động công nghiệp, giao thông, nông nghiệp và sinh hoạt
(Nguồn: Tan et, al, 1971; Wild, 1993)
Bảng 1.4. Hàm lượng Cr trong bùn thải toàn cầu
Giá trị
Địa điểm

trung bình

Phạm vi

Số mẫu thí
nghiệm

Ontario (Canada)

530

100 – 9.740

17

Anh và Wales

250

40 – 8.800

42

Mỹ

1.290

169 – 14.000

16

(Nguồn: Nriagu và Pacyan, (1984))
Nước thải và trầm tích bùn đáy kênh rạch thành phố có chứa Cr là kết quả lắng
tụ Cr từ hoạt động công nghiệp, nông nghiệp và sinh hoạt của con người.
SVTH: Nguyễn Thị Kim Hoàng

Trang 8


Báo cáo khóa luận tốt nghiệp

GVHD: TS. Bùi Xuân Vững

Nriagu và Pacyan (1984) đã ước lượng rằng, khoảng 1,4 – 11.103 tấn Cr được
cho thêm vào đất mỗi năm là kết quả của việc thải bùn cống trên toàn cầu.
Hàm lượng Cr cực kỳ lớn nếu chúng nhận bùn từ các vùng đô thị.
1.1.3. Ảnh hưởng độc hại của Crom đối với con người và sinh vật [6], [7]
1.1.3.1. Với sinh vật
- Crom đi vào chuỗi thức ăn thông qua việc tiêu thụ nguyên liệu thực vật. Khi
nồng độ Cr trong thực vật tăng, nó gây ảnh hưởng xấu đến một số chỉ số sinh học.
Triệu chứng của việc nhiễm độc Cr bao gồm: ức chế hạt nảy mầm hoặc cây giống
phát triển sớm, giảm sự phát triển của rễ cây, làm úa lá và làm suy giảm sinh khối,
làm hoại tử ở thực vật.
- Crom cũng được cho là tác nhân làm giảm hoạt động của nội bào, gây đột biến
gen. Tôm rằn Penaeus semisulcatus đực hấp thu Cr(VI) cao hơn con cái, cao nhất ở
mang, kế đến là gan tụy và ít nhất được tìm thấy trong cơ. LC50 96h của Cr(VI) trên
cá lóc là 41,75 ppm.
- Thử nghiệm độ độc hại của Cr lên sự sống của cá chép bằng cách ngâm trứng
cá sau khi đã thụ tinh vào nước có chứa Cr(VI). Khi nồng độ Cr từ 3,9 – 9,6mmol/l
với pH = 8, Crom không ảnh hưởng đến tỷ lệ trứng nở nhưng sau khi nồng độ Cr
đạt đến 9,6 mmol/l ở pH = 6,3 tỉ lệ các mắc bệnh khác nhau về da và tử vong tăng.
Nếu ngâm trứng vào dung dịch Cr(VI) có nồng độ 3,9 mmol/l ở pH = 6,3 thì tỷ lệ cá
mắc bệnh tủy sống tăng lên, mang và vây khô hơn, khả năng chịu lạnh kém hơn.
Khi bị ảnh hưởng Cr(VI), cá bị lờ đờ, không bơi lội do bị biến đổi tế bào mô của
mang, thận và gan.
- Nước thải sinh hoạt có thể chứa lượng Cr tới 0,7µg/ml mà chủ yếu ở dạng
Cr(VI) có độc tính cao với nhiều động vật có vú.
1.1.3.2. Với con người
- Các kết quả nghiên cứu cho thấy Cr chỉ với một liều lượng nhỏ cũng là
nguyên nhân chính gây các tác hại nghề nghiệp. Độc tính của Cr(VI) cao gấp 100
lần so với Cr(III). Cr(III) là nguyên tố vi lượng, đóng góp cho quá trình trao đổi

chất của đường trong cơ thể người và sự thiếu hụt nó có thể sinh ra bệnh là thiếu hụt

SVTH: Nguyễn Thị Kim Hoàng

Trang 9


Báo cáo khóa luận tốt nghiệp

GVHD: TS. Bùi Xuân Vững

Cr. Ngược lại crom(VI) rất độc hại và gây đột biến gen khi hít phải, gây viêm da
tiếp xúc dị ứng.
- Cơ quan nghiên cứu ung thư quốc tế (IARC) đã phân các chất hóa học theo 4
nhóm có khả năng gây ung thư.
Nhóm 1: Tác nhân là chất gây ung thư ở người
Nhóm 2A: Tác nhân có thể gây ung thư ở người
Nhóm 2B: Tác nhân có lẽ gây ung thư ở người
Nhóm 3: Tác nhân khơng thể phân loại
Nhóm 4: Tác nhân có lẽ khơng gây ung thư ở người
IARC xếp Cr(VI) vào nhóm 1 (tác nhân là chất gây ung thư ở người) và Cr(III)
vào nhóm 3 (tác nhân khơng thể phân loại dựa trên tính gây ung thư ở người)
- Nhìn chung, sự hấp thụ của Cr vào cơ thể con người tùy thuộc vào trạng thái
oxi hóa của nó. Cr(VI) hấp thụ qua dạ dày, ruột nhiều hơn Cr(III) (mức độ hấp thụ
qua đường ruột phụ thuộc vào dạng hợp chất mà nó sẽ hấp thu) và cịn có thể thấm
qua màng tế bào. Nếu Cr(III) chỉ hấp thu 1% thì lượng hấp thu của Cr(VI) lên tới
50%. Crom xâm nhập vào cơ thể theo ba con đường: hơ hấp, tiêu hóa và tiếp xúc
trực tiếp qua da.
+ Khi Cr xâm nhập theo đường hô hấp dễ dẫn tới bệnh viêm yết hầu, viêm phế
quản, viêm thanh quản do nêm mạc bị kích thích (sinh ngứa mũi, hắt hơi, chảy nước

mũi). Khi ở dạng CrO3 hơi hóa chất này gây bỏng nghiêm trọng cho hệ thống hô
hấp của người bị thấm nhiễm.
+ Cr(VI) đi vào cơ thể dễ gây biến chứng, tác động lên tế bào, lên mô tạo ra sự phát
triển tế bào không nhân, gây ung thư, tuy nhiên với hàm lượng cao Cr sẽ làm kết tủa
các protein, các axit nucleic và ức chế hệ thống men cơ bản.
+ Khi da tiếp xúc trực tiếp vào dung dịch Cr(VI), chỗ tiếp xúc dễ bị nổi phồng và
loét sâu, có thể bị loét đến xương. Khi Cr(VI) xâm nhập vào cơ thể qua da, nó kết
hợp với protein tạo thành phản ứng kháng nguyên. Kháng thể gây hiện tượng dị
ứng, bệnh tái phát khi tiếp xúc trở lại, bệnh sẽ tiến triển nếu không được cách ly.

SVTH: Nguyễn Thị Kim Hoàng

Trang 10


Báo cáo khóa luận tốt nghiệp

GVHD: TS. Bùi Xn Vững

Hình 1.1. Viêm da tiếp xúc do Crom
-

Dù xâm nhập vào cơ thể theo bất kì con đường nào Cr cũng được hòa tan vào trong
máu ở nồng độ 0,001mg/l, sau đó chúng chuyển vào hồng cầu và hịa tan nhanh
trong hồng cầu, từ hồng cầu Cr chuyển vào các tổ chức phủ tạng, được giữ lại ở
phổi, xương, thận, gan, phần còn lại chuyển qua nước tiểu. Từ các cơ quan phủ tạng
Cr hòa tan dần vào máu, rồi đào thải qua nước tiểu từ vài tháng đến vài năm.
Nhiễm độc Cr có thể bị ung thư phổi, ung thư gan, loét da, viêm da tiếp xúc,
xuất hiện mụn cơm, viêm gan, thủng vách ngăn giữa hai lá mía, ung thư phổi, viêm
thận, đau răng, tiêu hóa kém, gây độc cho hệ thần kinh và tim, …

1.2. Một số phương pháp xử lý nước thải ô nhiễm kim loại nặng [1];[6]
Các phương pháp xử lý nước thải được chia thành các loại sau:
- Phương pháp xử lý lý học
- Phương pháp xử lý hóa học và hóa lý
- Phương pháp xử lý sinh học
1.2.1. Phương pháp xử lý lý học
Trong nước thải thường chứa các chất không tan ở dạng lơ lửng. Để tách các
chất này ra khỏi nước thải. Thường sử dụng các phương pháp cơ học như lọc qua
song chắn rác hoặc lưới chắn rác, lắng dưới tác dụng của trọng lực hoặc lực li tâm
và lọc. Tùy theo kích thước, tính chất lý hóa, nồng độ chất lơ lửng, lưu lượng nước
thải và mức độ cần làm sạch mà lựa chọn cơng nghệ xử lý thích hợp.

SVTH: Nguyễn Thị Kim Hoàng

Trang 11


Báo cáo khóa luận tốt nghiệp

GVHD: TS. Bùi Xuân Vững

1.2.2. Phương pháp xử lý hóa học và hóa lý
1.2.2.1. Trung hịa
Nước thải chứa axit vơ cơ hoặc kiềm cần được trung hòa đưa pH về khoảng 6,5 –
8,5 trước khi thải vào nguồn nhận hoặc sử dụng cho công nghệ xử lý tiếp theo.
Trung hịa nước thải có thể thực hiện bằng nhiều cách:
- Trộn lẫn nước thải axit và nước thải kiềm;
- Bổ sung các tác nhân hóa học;
- Lọc nước axit qua vật liệu có tác dụng trung hịa;
- Hấp thụ khí axit bằng nước kiềm hoặc hấp thụ ammoniac bằng nước axit.

1.2.2.2. Keo tụ – tạo bông
Trong nguồn nước, một phần các hạt thường tồn tại ở dạng các hạt keo mịn phân
tán, kích thước các hạt thường dao động từ 0.1 – 10µm. Các hạt này khơng nổi cũng
khơng lắng, và do đó tương đối khó tách loại. Theo nguyên tắc, các hạt nhỏ trong
nước có khuynh hướng keo tụ do lực hút Vander Waals giữa các hạt. Lực này có thể
dẫn đến sự kết dính giữa các hạt ngay khi khoảng cách giữa chúng đủ nhỏ nhờ va
chạm. Sự va chạm xảy ra nhờ chuyển động Brown và do tác động của sự xáo trộn.
Tuy nhiên trong trường hợp phân tán cao, các hạt duy trì trạng thái phân tán nhờ lực
đẩy tĩnh điện vì bề mặt các hạt mang tích điện, có thể là điện tích âm hoặc điện tích
dương nhờ sự hấp thụ có chọn lọc các ion trong dung dịch hoặc sự ion hóa các
nhóm hoạt hóa. Trạng thái lơ lửng của các hạt keo được bền hóa nhờ lực đẩy tĩnh
điện. Do đó, để phá tính bền của hạt keo cần trung hịa điện tích bề mặt của chúng,
q trình này được gọi là quá trình keo tụ. Các hạt keo đã bị trung hịa điện tích có
thể liên kết với các hạt keo khác tạo thành bơng cặn có kích thước lớn hơn, nặng
hơn và lắng xuống, quá trình này được gọi là q trình tạo bơng.
1.2.2.3. Khử
Đây là q trình thực hiện phản ứng oxi hố khử để làm sạch nước thải khỏi các
hợp chất của Hg, Cr, As. Đối với Hg và các hợp chất hữu cơ chứa Hg, các chất khử
thường dung là: FeS, NaHS, bột Fe, bột Al, H2S.

SVTH: Nguyễn Thị Kim Hoàng

Trang 12


Báo cáo khóa luận tốt nghiệp

GVHD: TS. Bùi Xuân Vững

1.2.2.4. Trao đổi ion

Là quá trình tương tác của dung dịch với pha rắn có tính chất trao đổi ion với ion
trong dung dịch.
Ứng dụng: Tách kim loại nặng, hợp chất As…ra khỏi nước thải. Các loại vật liệu
rắn có tính trao đổi ion rất đa dạng. Tuỳ thuộc vào yêu cầu xử lý khác nhau, người
ta chọn những chất trao đổi ion khác nhau.
1.3. Khái quát về nano [1]
1.3.1. Công nghệ nano
Công nghệ nano (nanotechnology) 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 mơ nanơmét (nm, 1 nm = 10-9 m). Ranh giới
giữa công nghệ nano và khoa học nano đôi khi không rõ ràng, tuy nhiên chúng đều
có chung đối tượng là vật liệu nano.
1.3.2. Vật liệu nano
1.3.2.1. Khái niệm
Vật liệu nano là vật liệu trong đó ít nhất một chiều có kích thước nano mét. Về
trạng thái của vật liệu, người ta phân chia thành ba trạng thái, rắn, lỏng và khí.Vật
liệu nano được tập trung nghiên cứu hiện nay, chủ yếu là vật liệu rắn, sau đó mới
đến chất lỏng và khí. Về hình dáng vật liệu, người ta phân ra thành các loại sau:
 Vật liệu nano không chiều: cả ba chiều đều có kích thước nano, khơng cịn
chiều tự do nào cho điện tử, ví dụ, đám nano, hạt nano...
 Vật liệu nano một chiều là vật liệu trong đó hai chiều có kích thước nano, điện
tử được tự do trên một chiều (hai chiều cầm tù), ví dụ, dây nano, ống nano, ...
 Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó một chiều có kích thước nano, hai
chiều tự do, ví dụ, màng mỏng, ...
1.3.2.2. Tính chất của vật liệu nano [1]
Một đặc điểm vô cùng quan trọng của vật liệu nano là kích thước chỉ ở cấp
độ nano mét (nm). Chính vì vậy mà tổng số nguyên tử phân bố trên bề mặt vật liệu
nano và tổng diện tích bề mặt của bề mặt của vật liệu lớn hơn rất nhiều so với vật
liệu thông thường. Điều này đã làm cho vật liệu nano có khả năng xúc tác hấp phụ.
SVTH: Nguyễn Thị Kim Hoàng

Trang 13


Báo cáo khóa luận tốt nghiệp

GVHD: TS. Bùi Xuân Vững

1.3.2.3. Các phương pháp chế tạo vật liệu nano
Vật liệu nano được chế tạo bằng hai phương pháp: phương pháp từ trên xuống
(top-down) và phương pháp từ dưới lên (bottom-up). Phương pháp từ trên xuống là
phương pháp tạo hạt kích thước nano từ các hạt có kích thước lớn hơn; phương
pháp từ dưới lên là phương pháp hình thành hạt nano từ các nguyên tử.
a. Phương pháp từ trên xuống
Nguyên lý: dùng kỹ thuật nghiền và biến dạng để biến vật liệu thể khối với tổ
chức hạt thô thành cỡ hạt kích thước nano. Trong phương pháp nghiền, vật liệu ở
dạng bột được trộn lẫn với những viên bi được làm từ các vật liệu rất cứng và đặt
trong một cái cối. Máy nghiền có thể là nghiền lắc, nghiền rung hoặc nghiền quay.
Các viên bi cứng va chạm vào nhau và phá vỡ bột đến kích thước nano. Kết quả thu
được là vật liệu nano không chiều (các hạt nano).
Một số phương pháp từ trên xuống thường gặp:
Phương pháp ăn mòn laser
Đây là phương pháp từ trên xuống. Vật liệu ban đầu là một tấm bạc được đặt
trong một dung dịch có chứa một chất hoạt hóa bề mặt. Một chùm Laser xung có
bước sóng 532nm, độ rộng xung là 10ns, tần số 10Hz, năng lượng mỗi xung là
90mJ, đường kính vùng kim loại bị tác dụng từ 1-3mm. Dưới tác dụng của chùm
laser xung, các hạt nano có kích thước khoảng 10nm được hình thành và được bao
phủ bởi chất hoạt hóa bề mặt CnH2n+1SO4Na với n = 8, 10, 12, 14 với nồng độ từ
0,001 đến 0,1M.
b. Phương pháp từ dưới lên

Nguyên lý: hình thành vật liệu nano từ các nguyên tử hoặc ion. Phương pháp từ
dưới lên được phát triển rất mạnh mẽ vì tính linh động và chất lượng của sản phẩm
cuối cùng. Phần lớn các vật liệu nano mà chúng ta dùng hiện nay được chế tạo từ
phương pháp này.
Một số phương pháp từ dưới lên thường gặp [6]:
Phương pháp khử hóa học
Phương pháp khử hóa học là dùng các tác nhân hóa học để khử ion kim loại thành
kim loại. Thông thường các tác nhân hóa học ở dạng dung dịch lỏng nên cịn gọi là
SVTH: Nguyễn Thị Kim Hoàng

Trang 14