(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu chế tạo vật liệu nanocomposite fe3o4 AC định hướng ứng dụng xử lý môi trường

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

NGUYỄN THỊ THÙY

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANOCOMPOSITE
Fe3O4/AC ĐỊNH HƢỚNG XỬ LÝ MÔI TRƢỜNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

THÁI NGUYÊN, 10/2019


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

NGUYỄN THỊ THÙY

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANOCOMPOSITE
Fe3O4/AC ĐỊNH HƢỚNG XỬ LÝ MÔI TRƢỜNG

Chuyên ngành: Quang học
Mã số: 84 40 110

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN VĂN HẢO

THÁI NGUYÊN, 10/2019

i

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất tới
thầy giáo, TS. Nguyễn Văn Hảo, người đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo tận tình
và giúp đỡ em trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn
này.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tất cả các Thầy, Cô giáo Khoa Vật
lý và Công nghệ, trường Đại học Khoa học thuộc Đại học Thái Nguyên, đã
truyền đạt cho em nhiều kiến thức quý báu cũng như tạo điều kiện và giúp đỡ em
trong việc học tập và hoàn thành luận văn này.
Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới các Thầy, Cô và anh chị em bên Khoa Tài
nguyên – Môi trường, Trường Đại học Khoa học đã giúp đỡ em trong quá trình
thực nghiệm xử lý hấp phụ trong suốt q trình hồn thành luận văn này.
Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ, động viên và tạo mọi điều kiện
thuận lợi của Ban giám hiệu và anh chị em Tổ Vật lý - Công nghệ Công nghiệp,
Trường THPT Lương Tài trong suốt quá trình học tập và hồn thành luận văn
này.
Cuối cùng em xin cảm ơn tồn thể gia đình và bạn bè đã giúp đỡ và động
viên em trong suốt quá trình học tập.
Thái Nguyên, ngày 02 tháng 10 năm 2019
Học viên

Nguyễn Thị Thùy


ii

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................i
MỤC LỤC ................................................................................................................. ii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT........................................................................... v
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ............................................................................vii
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, HÌNH VẼ ......................................................... viii
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN ..................................................................................... 4
1.1. Tổng quan về than hoạt tính ................................................................................ 4
1.1.1. Nguồn gốc và cấu trúc than hoạt tính ......................................................... 4
1.1.2. Thành phần hóa học của than .................................................................... 5
1.1.3 Phương pháp chế tạo than hoạt tính.............................................................5
1.1.3.1. Q trình than hóa .......................................................................................6
1.1.3.2. Q trình hoạt hóa .......................................................................................6
1.1.4. Ứng dụng than hoạt tính ............................................................................ 6
1.2. Tổng quan về vật liệu Fe3O4................................................................................. 7
1.2.1. Vật liệu Fe3O4 dạng khối ........................................................................... 7
1.2.1.1. Cấu trúc tinh thể ..........................................................................................7
1.2.1.2. Tính chất vật lý............................................................................................9
1.2.1.3. Tính chất nhiệt.............................................................................................9
1.2.1.4. Tính chất điện ..............................................................................................9
1.2.1.5. Tính chất từ ...............................................................................................10
1.2.2. Vật liệu Fe3O4 dạng hạt kích thước nano mét. ......................................... 11
1.2.2.1. Tính chất liên quan đến hiệu ứng bề mặt ..................................................11
1.2.2.2. Tính chất liên quan đến hiệu ứng kích thước ............................................13
1.3. Khái quát về tình hình nghiên cứu hạt nano từ Fe3O4 ........................................ 14
1.3.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới ........................................................... 14
1.3.2. Tình hình nghiên cứu trong nước ............................................................. 15
1.4. Chất màu hữu cơ và phương pháp xử lý ............................................................. 17

iii

1.4.1. Giới thiệu về ô nhiễm chất màu hữu cơ ................................................... 17
1.4.2. Thuốc nhuộm .......................................................................................... 18
1.4.3. Các phương pháp xử lý thuốc nhuộm hoạt tính trong nước thải dệt nhuộm 19
1.5. Giới thiệu về phương pháp hấp phụ ................................................................... 22
1.5.1. Khái niệm về sự hấp phụ ......................................................................... 22
1.5.1.1. Hấp phụ vật lý ...........................................................................................22
1.5.1.2. Hấp phụ hoá học........................................................................................22
1.5.2. Cân bằng hấp phụ .................................................................................... 23
1.5.3. Một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ ...................................... 24
CHƢƠNG 2. THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..... 25
2.1. Nguyên liệu và hóa chất ..................................................................................... 25
2.2. Tổng hợp vật liệu ............................................................................................... 25
2.2.1. Chế tạo than hoạt tính (AC) ..................................................................... 25
2.2.2. Chế tạo hạt nano Fe 3O4 ............................................................................ 25
2.2.3. Chế tạo composit Fe 3O4/AC .................................................................... 26
2.3. Phương pháp khảo sát cấu trúc và tính chất của vật liệu nano chế tạo được ............... 27
2.3.1 Quang phổ hấp thụ UV-Vis ...................................................................... 27
2.3.2. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) ......................................................... 28
2.3.3. Phương pháp phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) .................................. 30
2.3.4. Phương pháp chụp hiển vi điện tử quét (SEM) ........................................ 30
2.3.5. Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM) ....................................... 31
2.3.6. Phương pháp xác định diện tích bề mặt riêng của vật liệu ....................... 32
2.3.7. Phương pháp quang phổ hồng ngoại ........................................................ 33
2.3.8. Phương pháp phổ Raman ......................................................................... 33
2.4. Phương pháp nghiên cứu khả năng hấp phụ chất màu của vật liệu .................... 34
2.4.1. Ảnh hưởng của pH .................................................................................. 34
2.4.2. Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc ............................................................ 34

2.4.3. Ảnh hưởng của nồng độ chất màu ban đầu .............................................. 35
2.4.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ .......................................................................... 35
2.4.5 Xác định điểm điện tích khơng của vật liệu .............................................. 35


iv

CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .......................................................... 37
3.1. Kết quả chế tạo than hoạt tính ............................................................................ 37
3.2. Kết quả chế tạo vật liệu nanocomposit và các đặc trưng .................................... 38
3.2.1. Phân tích cấu trúc vật liệu sử dụng phép đo nhiễu xạ tia X (XRD) .......... 38
3.2.2. Phân tích các liên kết của vật liệu sử dụng phép đo phổ hồng ngoại biến
đổi Fourier và phổ tán xạ Raman ....................................................................... 39
3.2.3. Phân tích hình thái bề mặt của vật liệu bằng ảnh SEM và TEM ............... 42
3.2.3.1 Diện tích bề mặt riêng của vật liệu ............................................................42
3.2.3.2. Hình thái học bề mặt (SEM và TEM) của vật liệu ...................................43
3.3. Thử nghiệm ứng dụng Fe3O4/AC để xử lý chất màu Red 21 trong nước............ 45
3.3.1. Khảo sát ảnh hưởng của độ pH của chất màu Red 21 lên vật liệu hấp phụ . 45
3.3.2. Ảnh hưởng của tỉ lệ composit giữa Fe3O4 và AC lên độ hấp thụ Red 21 .... 48
3.3.3. Ảnh hưởng của thời gian lên độ hấp thụ Red 21 của vật liệu FO/AC ....... 50
3.3.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ lên sự hấp phụ ................................................... 52
3.3.5. Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch .......................................................... 53
KẾT LUẬN .............................................................................................................. 55
TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................................... 56


v

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Viết tắt

Nghĩa tiếng Anh

Nghĩa tiếng Việt

AC

Activated carbon

Than hoạt tính

UV-Vis

Ultraviolet–visible

Phổ tử ngoại khả kiến

spectroscopy
XRD

X-Ray diffraction

EDX

Energy-dispersive

Nhiễu xạ tia X
X-ray Phổ tán xạ năng lượng tia X

spectroscopy
SEM

Scanning Electron Microscopy

Kính hiển vi điện tử quét

TEM

Transmission Electron

Kính hiển vi điện tử truyền qua

Microscopy
BET

Brunauer-Emmett-Teller

FTIR

Fourier

transform

Hấp phụ và khử hấp phụ Nitơ

infrared Phổ hồng ngoại chuyển dịch

spectroscopy

Fourier

Red 21

Red BB sunzol

Thuốc nhuộm hoạt tính màu đỏ

FO/AC

Fe3O4/activated carbon

Composit giữa Fe3O4 và AC

FO/AC (0)

Fe3O4/AC (0)

Tỉ lệ composit giữa ion Fe và
AC với Fe = 0:1

FO/AC (1)

Fe3O4/AC (1)

Tỉ lệ composit giữa ion Fe và
AC với Fe = 1:1

FO/AC (3)

Fe3O4/AC (3)

Tỉ lệ composit giữa ion Fe và
AC với Fe = 3:1


vi

FO/AC (6)

Fe3O4/AC (6)

Tỉ lệ composit giữa ion Fe và
AC với Fe = 6:1

AC1

Activated carbon 1

Than hoạt tính được hoạt hóa ở
600 oC

AC2

Activated carbon 2

Than hoạt tính được hoạt hóa ở
700 oC

AC3

Activated carbon 3

Than hoạt tính được hoạt hóa ở
800 oC


vii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1. Ưu và nhược điểm của một số phương pháp xử lý các hợp chất hữu
cơ có màu.
Bảng 3.1. Kết quả chế tạo than hoạt tính AC


viii

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, HÌNH VẼ
Trang
Hình 1.1.

Hình ảnh than hoạt tính

4

Hình 1.2.

Cấu trúc tinh thể của Fe3O4

8

Hình 1.3.

Hình ảnh của vật liệu Fe3O4 ở kích thước lớn

9

Hình 1.4.

Thang các dải độ dẫn điện. Vùng (I) – (IV) tương ứng 10
với chất cách điện, chất bán cách điện, chất bán dẫn và
chất dẫn điện.

Hình 1.5.

Ảnh nhiễu xạ tia X của các hạt nano Fe3O4

11

Hình 1.6.

Mơ hình lõi vỏ của một hạt nano từ

12

Hình 1.7.

Đường từ hóa của các hạt nano Fe3O4 kích thước 13
trung bình 5 nm (M5), 10 nm (M10), 50 nm (M50),

150 nm (M150) (hình nhỏ mơ tả sự phụ thuộc của lực
kháng từ vào kích thước hạt)

Hình 1.8.

Cấu trúc của một vài chất hoạt động bề mặt được sử 15
dụng trong tổng hợp hạt nano trong dung mơi hữu cơ.

Hình 1.9.

Nước thải dệt nhuộm

17

Hình 1.10.

Cơng thức cấu tạo của thuốc nhuộm hoạt tính Red 21

19

Hình 2.1.

Quy trình tổng hợp hạt nano từ Fe3O4

26

Hình 2.2.

Quy trình tổng hợp composit Fe3O4/AC

27

Hình 2.3.

Phản xạ của tia X trên họ mặt mạng tinh thể

29

Hình 2.4.

Sơ đồ khối của kính hiển vi điện tử quét

31

Hình 3.1.

Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu AC (a), các hạt sắt từ 38
Fe3O4 (b) và các mẫu vật liệu composit Fe3O4 /AC chế
tạo bằng phương pháp đồng kết tủa (c)

Hình 3.2.

Phổ FTIR của các mẫu AC (a), Fe3O4 (b) và Fe3O4/AC (c)

Hình 3.3.

Phổ Raman của mẫu AC (a), Fe3O4 (b) và composit 41

40

ix

Fe3O4/AC
Hình 3.4.

Ảnh SEM (a) và EDX (b) của AC

43

Hình 3.5.

Ảnh SEM (a) và EDX (b) của vật liệu nano Fe3O4

43

Hình 3.6.

Ảnh SEM (a) và EDX (b) của vật liệu composit 44
Fe3O4/AC

Hình 3.7.

Ảnh TEM của các hạt nano Fe3O4

Hình 3.8.

Ảnh hưởng của độ pH lên quá trình suất hấp phụ chất 47
màu Red 21 của các vật liệu hấp phụ.

Hình 3.9.

Điểm điện tích khơng của vật liệu hấp phụ

Hình 3.10.

Ảnh hưởng của tỉ lệ composit giữa các ion Fe và AC 49
lên độ hấp phụ Red 21

Hình 3.11.

Ảnh hưởng của thời gian lên độ hấp phụ Red 21 của 51
vật liệu FO/AC.

Hình 3.12.

(a) Hiệu suất hấp phụ và (b) Phổ UV-Vis của dung 51
dịch Red 21 ban đầu và sau hấp phụ ở các thời gian
khác nhau của vật liệu FO/AC

Hình 3.13.

Ảnh hưởng của nhiệt độ lên độ hấp phụ Red 21 của 52
vật liệu FO/AC

Hình 3.14.

Ảnh hưởng của nồng độ ban đầu C0 của Red 21 lên độ 53
hấp phụ của FO/AC.

45

48


1
MỞ ĐẦU

Ngày nay, với sự tiến bộ của khoa học và công nghệ, các ngành công
nghiệp như công nghiệp sơn, dệt may, in, hoá dầu...phát triển rất mạnh mẽ, đã
tác động tích cực đến sự phát triển kinh tế - xã hội. Tuy nhiên, bên cạnh những
lợi ích mà nó mang lại thì những tác hại mà các ngành cơng nghiệp này gây ra
với môi trường là rất đáng lo ngại [4, 5].
Nước thải công nghiệp của các cơ sở như dệt may, cao su, giấy, mỹ
phẩm,… chủ yếu là các chất màu, thuốc nhuộm hoạt tính, các ion kim loại nặng,
các chất hữu cơ,... Hàng năm có hàng trăm ngàn loại thuốc nhuộm thương mại
được sản xuất với tỉ lệ rất cao, cỡ 70000 tấn/năm [6]. Red 21 là một chất màu
hoạt tính dễ dàng hịa tan trong nước và được sử dụng trong nhuộm len, nylon,
polyacrylonitrile, bông, lụa, da và giấy. Đây là tác nhân chính gây ơ nhiễm các
nguồn nước và ảnh hưởng đến sức khỏe của con người và các sinh vật sống
ngay cả khi ở nồng độ thấp [7]. Nguy hiểm hơn nữa là thuốc nhuộm trong nước
thải rất khó phân hủy vì chúng có độ bền cao với ánh sáng, nhiệt và các tác nhân
gây oxi hố. Do đó, việc tìm ra phương pháp nhằm loại bỏ các hợp chất màu
hữu cơ, thuốc nhuộm hoạt tính độc hại ra khỏi mơi trường nước có ý nghĩa hết
sức to lớn.
Trong những năm gần đây đã có nhiều cơng trình nghiên cứu và sử dụng
các phương pháp khác nhau nhằm xử lý các hợp chất màu hữu cơ độc hại trong
nước thải như phương pháp cơ học, phương pháp sinh học, phương pháp hóa
lý,... [8]. Tuy nhiên, việc tìm ra phương pháp loại bỏ thuốc nhuộm một cách đơn
giản, kinh tế vẫn là một vấn đề quan trọng đối với các nhà nghiên cứu. Hấp phụ

là một kỹ thuật tách rất hiệu quả về chi phí ban đầu, thiết kế đơn giản và dễ
vận hành.


2
Than hoạt tính AC (activated carbon) là chất hấp phụ hiệu quả nhất được
sử dụng để loại bỏ thuốc nhuộm. Tuy nhiên, than hoạt tính thương mại vẫn cịn
đắt [9]. Ngồi ra, việc khó thu hồi của nó đã làm hạn chế trong các ứng dụng xử
lý nước thải. Do đó, việc tạo than hoạt tính bằng các phụ phẩm nông nghiệp
cũng là một cách mang lại hiệu quả, giảm chi phí và được các nhà nghiên cứu
quan tâm để thay thế than hoạt tính thương mại [10]. Để tiếp tục cải thiện hiệu
quả của nó, nghiên cứu về việc biến tính và tái sử dụng AC đã được thực hiện.
Trong thời gian gần đây, việc biến tính AC bằng vật liệu nano, đã nổi lên như
một sự thay thế đầy hứa hẹn. Chất hấp phụ nano có thể được sử dụng để xử lý
nước thải do các tính chất đặc biệt của chúng như diện tích bề mặt cao hơn, chi
phí sản xuất thấp hơn, hiệu quả cao hơn và tính chất từ tính...[11, 12].
Trong các vật liệu nano, Fe3O4 vật liệu nano từ tính đã thu hút sự chú ý
đáng kể vì là vật liệu hấp phụ cho cả thuốc nhuộm hữu cơ và kim loại nặng, do
tính chất từ tính độc đáo của chúng, chi phí thấp, tương thích sinh học, dễ tổng
hợp, dễ tái chế, đặc biệt là kinh tế và thân thiện với môi trường, chúng và vật
liệu tổ hợp của nó có thể dễ dàng tách ra khỏi dung dịch sau khi phản ứng hấp
phụ hoàn thành [13 - 15]… Dựa trên những phân tích trên mà chúng tơi đã lựa
chọn đề tài luận văn “Nghiên cứu chế tạo vật liệu nanocomposite Fe3O4/AC
định hướng ứng dụng xử lý môi trường”.
Mục tiêu của đề tài:
- Chế tạo thành công vật liệu Fe3O4 và nanocomposite Fe3O4/AC bằng
phương pháp đồng kết tủa.
- Nghiên cứu một số tính chất cấu trúc, hình thái và tính chất quang của vật
liệu chế tạo được và khả năng xử lý chất màu hữu cơ Red 21 của vật liệu.

3
Nội dung của luận văn bao gồm:
- Tổng quan về than hoạt tính và vật liệu Fe3O4, chất màu hữu cơ và
phương pháp xử lý.
- Chế tạo vật liệu than hoạt tính từ vỏ bưởi, nano Fe3O4 và vật liệu tổ hợp
của chúng.
- Nghiên cứu một số tính chất cấu trúc, hình thái và tính chất quang của
vật liệu chế tạo được.
- Nghiên cứu xử lý chất màu hoạt tính Red 21 bằng vật liệu chế tạo được
dựa trên phương pháp hấp phụ.
Bố cục của luận văn ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo
được chia làm 3 chương như sau:
Chương 1: Tổng quan
Chương 2: Thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu
Chương 3: Kết quả và thảo luận


4
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN

1.1. Tổng quan về than hoạt tính (Activated carbon – AC)
1.1.1. Nguồn gốc và cấu trúc than hoạt tính
Than hoạt tính là một dạng carbon đã được xử lý để mang lại một cấu trúc
xốp hơn, do đó có diện tích bề mặt lớn làm khả năng hấp phụ rất tốt. Than hoạt
tính có thể được sản xuất từ bất kỳ loại sinh khối nào, từ đủ loại chất hữu cơ thải
ra trong quá trình trồng trọt và chế biến nông sản như vỏ bưởi, vỏ trấu, vỏ cà
phê, vỏ dừa, vỏ đậu phộng, bã mía, vỏ hạt điều, lá cao su; rác thải hữu cơ đô thị;
và các loại rác hữu cơ khác.

Hình 1.1. Hình ảnh than hoạt tính

Than hoạt tính ở dạng than gỗ đã được hoạt hóa đã được sử dụng từ nhiều
thế kỉ trước. Người Ai Cập sử dụng than gỗ từ khoảng năm 1500 TCN để làm
chất hấp phụ chữa bệnh. Người Hin du cổ ở Ấn Độ đã biết làm sạch nước uống
bằng cách lọc qua than gỗ. Việc sản xuất than hoạt tính trong cơng nghiệp bắt
đầu từ khoảng những năm 1900, được sử dụng để làm vật liệu tinh chế đường


5
bằng cách than hóa hỗn hợp các nguyên liệu có nguồn gốc từ thực vật bằng hơi
nước hoặc CO2.
Ở nước ta than hoạt tính bắt đầu được nghiên cứu từ những năm 60 của
thế kỷ 20. Nghiên cứu đầu tiên là ở Viện Hố học Cơng nghiệp với than hoạt
tính từ antraxit, gáo dừa, bã mía, tiếp đó là các nghiên cứu của Viện Hố học
Cơng nghiệp và Trung tâm Nghiên cứu Than hoạt tính, Trường Đại học Bách
Khoa Hà Nội.
Hiện nay than hoạt tính đã được sử dụng rộng rãi trong hầu khắp mọi lĩnh
vực khoa học, quân sự và đời sống. Tùy theo mục đích sử dụng, hiện có một số
loại than hoạt tính như sau: Than lọc khí - hơi, than tẩy màu, than lọc nước, than
trao đổi ion,... ở dạng hạt dập, hạt ép hoặc dạng bột.
1.1.2. Thành phần hóa học của than
Than hoạt tính có thành phần chủ yếu là cacbon, chiếm từ 85 đến 95%
khối lượng. Phần còn lại là các nguyên tố khác như hydro, nitơ, lưu huỳnh,
oxi,... có sẵn trong nguyên liệu ban đầu hoặc mới liên kết với cacbon trong quá
trình hoạt hóa. Tuy nhiên hàm lượng oxi trong than hoạt tính có thể thay đổi từ 1
– 20 % phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu ban đầu và cách điều chế.
Than hoạt tính thường có diện tích bề mặt nằm trong khoảng 800 đến
1500 m2/g và thể tích lỗ xốp từ 0,2 đến 0,6 cm3/g. Diện tích bề mặt than hoạt
tính chủ yếu là do lỗ nhỏ có bán kính nhỏ hơn 2 nm tạo thành.

1.1.3. Phƣơng pháp chế tạo than hoạt tính
Than hoạt tính chủ yếu được sản xuất bằng cách nhiệt phân ngun liệu
thơ có chứa cacbon ở nhiệt độ dưới 1000°C. Quy trình điều chế than hoạt tính
được chia làm hai giai đoạn: than hóa và hoạt hóa.


6
1.1.3.1. Q trình than hóa
Q trình than hóa được thực hiện ở nhiệt độ dưới 800°C trong mơi
trường yếm khí hoặc khí trơ. Ở q trình này ngun liệu được phân hủy nhờ
nhiệt để đưa về dạng cacbon đồng thời làm bay hơi một số hợp chất hữu cơ nhẹ
tạo lỗ xốp ban đầu cho than. Chính lỗ xốp này là đối tượng cho q trình hoạt hố than.
Q trình than hóa nguyên liệu được thực hiện bằng cách tăng nhiệt dần
lên. Ban đầu nguyên liệu được sấy khô đều ở nhiệt độ dưới 170 o C, từ
170 ÷ 280°C nguyên liệu bị phân hủy theo những quá trình thu nhiệt, ở đây các
hợp phần của nguyên liệu bị biến tính, giải phóng oxit cacbon, khí cacbonic, axit
axetic,...Tiếp theo, từ 280 ÷ 380oC xảy ra sự phân hủy phát nhiệt giải phóng
metanol, hắc ín,… Q trình than hóa xem như kết thúc ở khoảng 400 ÷ 600°C.
1.1.3.2. Q trình hoạt hóa
Sản phẩm của q trình than hóa được mang đi hoạt hóa, mục đích của
q trình hoạt hóa là giải phóng độ xốp sơ cấp đã có sẵn trong than, đồng thời
tạo thêm độ xốp thứ cấp làm than có hoạt tính cao.
Q trình hoạt hóa được thực hiện ở nhiệt độ trên 800oC dùng tác nhân
hơi nước trong môi trường khơng có oxi.
1.1.4. Ứng dụng than hoạt tính
Ngồi khả năng hấp phụ tốt thì than hoạt tính cịn có các ưu điểm như:
không độc hại, giá thành rẻ và sản xuất dễ dàng. Vì vậy, than hoạt tính được sử
dụng rộng rãi trong cuộc sống và cho nhiều ứng dụng.
- Ứng dụng trong công nghiệp: một ứng dụng công nghiệp chính là xử lý
kim loại cuối. Nó được sử dụng rộng rãi trong tinh chế dung dịch mạ điện. Ví

dụ, nó là kỹ thuật tinh chế chính trong việc loại bỏ những tạp chất hữu cơ từ
dung dịch mạ. Nhiều chất hữu cơ được thêm vào dung dịch mạ để cải thiện tính
bám dính và tăng tính chất như độ sáng, nhẵn, tính uốn... Sự truyền dịng điện
trực tiếp và phản ứng điện hóa của oxi hóa anot và khử catot, những phụ gia hữu


7
cơ sinh ra những sản phẩm phân hủy không mong muốn trong dung dịch. Sự
sinh ra quá nhiều của chúng có thể có hại cho chất lượng mạ và tính chất vật lý
của kim loại. Sự xử lý bằng than hoạt tính loại bỏ những tạp chất như vậy và trả
lại hiệu suất mạ về mức độ mong muốn.
- Ứng dụng trong y tế: than hoạt tính được sử dụng để xử lý chất độc và
được dùng qua đường miệng. Những viên hoặc nang than hoạt tính được sử
dụng ở nhiều nước như một thuốc không cần kê toa bác sĩ để xử lý bệnh tiêu
chảy, chứng khó tiêu và đầy hơi. Tuy nhiên, nó khơng hiệu quả cho nhiều sự
ngộ độc của axít hoặc kiềm mạnh, xianua, sắt, liti, arsen, methanol, ethanol hay
ethylene glycol.
- Ứng dụng hóa phân tích: than hoạt tính, hỗn hợp 50/50 khối lượng
diatomit và than hoạt tính được sử dụng như pha tĩnh trong sắc khí áp suất thấp
cho carbohydrate sử dụng dung dịch rượu (5 - 50 %) như pha động trong chuẩn
bị và phân tích.
- Ứng dụng mơi trường: Sự hấp phụ cacbon có nhiều ứng dụng trong loại
bỏ chất gây ơ nhiễm từ khơng khí hay nước như: Làm sạch dầu tràn, lọc nước
ngầm, lọc nước uống, làm sạch khơng khí, giữ tạp chất hữu cơ không bay hơi từ
màu vẽ, lọc khơ, bay hơi xăng và những q trình khác.
1.2. Tổng quan về vật liệu Fe3O4
1.2.1. Vật liệu Fe3O4 dạng khối
1.2.1.1. Cấu trúc tinh thể
Ở nhiệt độ phòng các tinh thể khối magnetit Fe3O4 (FeO.Fe2O3) có cấu
trúc spinen đảo, trong đó các nguyên tử oxi tạo thành mạng tinh thể lập phương

tâm mặt xếp chặt với các nguyên tử sắt, chiếm các vị trí nút ngồi.
Cơng thức phân tử: FeO. Fe2O3 = Fe. Fe2O4
Mơ hình ion:

[Fe3+]A[ Fe3+Fe2+]B O42-


8
Các ion O2- hình thành nên mạng lập phương tâm mặt với hằng số mạng
a = 8,398 A0. Các ion Fe3+, Fe2+ có bán kính ion nhỏ hơn sẽ phân bố trong
khoảng trống giữa các ion O2-. Các ion kim loại Fe2+ và Fe3+ sẽ nằm ở các lỗ
hổng này và tạo nên hai dạng cấu trúc spinel của nhóm vật liệu ferít. Trong dạng
thứ nhất, tồn bộ các ion Fe2+ nằm ở các vị trí A cịn tồn bộ các ion Fe3+ nằm ở
các vị trí B. Cấu trúc này đảm bảo hoá trị của các nguyên tử kim loại vì số ion
oxy bao quanh các ion Fe3+ và Fe2+ có tỷ số 3/2 nên nó được gọi là cấu trúc
spinel thuận. Dạng thứ hai thường gặp hơn được gọi là cấu trúc spinel đảo [16].
Trong cấu trúc spinel đảo một nửa số ion Fe3+ cùng toàn bộ số ion Fe2+ nằm ở
các vị trí B, một nửa số ion Fe3+ cịn lại nằm ở các vị trí A. Oxít sắt từ Fe3O4 
FeO.Fe2O3 là một ferít có cấu trúc spinel đảo điển hình.

Fe ở vị trí tứ diện (A)

Fe ở vị trí bát diện (B)

Hình 1.2. Cấu trúc tinh thể của Fe3O4 [16]

Chính cấu trúc spinel đảo này đã quyết định tính chất từ của Fe3O4, đó là
tính chất feri từ. Mô men từ của các ion kim loại trong hai phân mạng A và B
phân bố phản song song điều này được giải thích nhờ sự phụ thuộc góc của
tương tác siêu trao đổi: B = 125°9΄, A = 79°38΄, BƠB = 90° do đó tương

tác phản sắt từ giữa A và B là mạnh nhất. Trong Fe3O4 bởi vì ion Fe3+ có mặt ở
cả hai phân mạng với số lượng như nhau nên mô men từ chỉ do Fe2+ quyết định.


9
1.2.1.2. Tính chất vật lý
Các tinh thể magnetite (Fe3O4) ở kích thước micro trong tự nhiên và tổng
hợp thể hiện tính ánh kim và màu đen mờ (Hình 1.3). Mật độ của Fe3O4 là
5,18 g/cm3, nhẹ hơn một chút so với hematit màu nâu đỏ (α-Fe2O3; 5,26 g/cm3)
và nặng hơn so với ferrihydrite màu vàng cam (α-FeOOH; 4,26 g/cm3); sắt
nguyên chất (α-Fe) có mật độ 7,87 g/cm3. Ở nhiệt độ mơi trường, các hạt từ tính
thể hiện độ cứng 5,5, giống hệt với thủy tinh [17].

Hình 1.3. Hình ảnh của vật liệu Fe3O4 ở kích thước lớn

Diện tích bề mặt hiệu dụng của Fe3O4 thay đổi theo phương pháp tổng
hợp, tuy nhiên các hạt ở kích thước micro điển hình với đường kính gần 0,2 m
có diện tích bề mặt khoảng 6 m2/g . Các hạt Fe3O4 không xốp [17].
1.2.1.3. Tính chất nhiệt
Điểm nóng chảy/sơi của oxit sắt từ được quan sát thấy tương ứng ở 1590
và 2623°C. Nhiệt lượng của nhiệt hạch, phân hủy và hóa hơi tương ứng là
138,16; 605,0 và 298,0 kJ/mol (ở 2623°C).
1.2.1.4. Tính chất điện
Như đã đề cập trước đó, các vị trí bát diện trong cấu trúc Fe3O4 có chứa
các ion sắt Fe2+ và Fe3+. Các electron phối hợp với các ion sắt này được định vị
bằng nhiệt và di chuyển trong cấu trúc Fe3O4 gây ra sự trao đổi độ dẫn cao: từ -


10
28 J.K đến 3 J.K giữa các vị trí tứ diện/bát diện và các vị trí bát diện/bát diện,

tương ứng [17]. Nhiệt độ chuyển tiếp Verwey của Fe3O4 (VTT-Verwey
transition temperature) (118 K) thể hiện sự sắp xếp có trật tự của các ion Fe 2+ và
Fe3+ trên các vị trí bát diện, ức chế sự khử định vị electron khi nhiệt độ xuống dưới
VTT [17].
Độ dẫn điện nằm trong khoảng từ 102 - 103 Ω-1cm-1 [17]. Hình 1.4 trình
bày về độ dẫn điện ở trạng thái bán dẫn điện; tuy nhiên, dải độ dẫn này giáp
trạng thái dây dẫn (kim loại). Kim loại, chất bán dẫn và chất cách điện nằm ở
các dải tần từ 0, 0,2 - 3,0, > 3,0 eV (Kiely, 2006). Trạng thái bán kim loại (Semimetallic) được hỗ trợ thêm bởi dải băng oxit sắt từ tương đối thấp (0,1 eV) [17] .

Hình 1.4. Thang các dải độ dẫn điện. Vùng (I) – (IV) tương ứng với chất cách điện,
chất bán cách điện, chất bán dẫn và chất dẫn điện.

1.2.1.5. Tính chất từ
Nhiệt độ Curie của Fe3O4 được quan sát ở 850 K. Dưới nhiệt độ Curie,
các mơmen từ trên các vị trí tứ diện, bị chiếm giữ bởi các ion Fe 3+, được sắp xếp
bằng sắt từ trong khi các mômen từ trên các vị trí bát diện, bị chiếm giữ bởi các
ion Fe2+ và Fe3+; trạng thái kết hợp như vậy được gọi là sắt từ (ferrimagnetic)
[17]. Do đó, ở nhiệt độ phịng, từ tính là sắt từ.
Khi nhiệt độ tăng đến nhiệt độ Curie, dao động nhiệt phá hủy sự liên kết
sắt từ của các mơmen từ trên tứ diện; do đó, cường độ sắt từ bị giảm. Khi nhiệt
độ Curie đạt được, từ hóa tổng bằng 0 và trạng thái siêu thuận từ được quan sát.


11
Lực kháng từ, cường độ của từ trường đặt vào cần thiết cho từ hóa bằng 0
sau khi bão hịa từ, có thể được kiểm sốt trong các phản ứng kết tủa từ tính; lực
kháng từ nằm trong khoảng từ 2,4 (điển hình của đĩa ghi từ) đến 20,0 (lõi nam
châm vĩnh cửu) kAm-1 .
1.2.2. Vật liệu Fe3O4 dạng hạt kích thƣớc nano mét.
Các nghiên cứu cho thấy vật liệu Fe3O4 ở kích thước nano có cấu trúc tinh

thể khơng thay đổi so với vật liệu khối. Kết quả khảo sát đặc trưng bằng nhiễu
xạ tia X chứng minh các hạt nano Fe3O4 có cấu trúc spinel đảo. Tuy nhiên, giá
trị các thơng số mạng có thay đổi so với vật liệu khối, giá trị hằng số mạng a
thường nhỏ hơn so với hằng số mạng mẫu khối. Điều này được giải thích bởi tỷ
phần các nguyên tử và ion bề mặt so với tồn bộ thể tích là tương đối lớn và sự
oxi hóa của các ion Fe2+ trên bề mặt hạt thành ion Fe3+ dẫn đến thay đổi tỷ lệ sắp
xếp ion trong hai phân mạng tứ diện và bát diện [18]. Hình 1.5 trình bày giản đồ
nhiễu xạ tia X của mẫu hạt nano Fe3O4 kích thước 15 nm [19].

Hình 1.5. Ảnh nhiễu xạ tia X của các hạt nano Fe3O4 [19]

1.2.2.1. Tính chất liên quan đến hiệu ứng bề mặt
Khi kích thước vật liệu từ giảm đến cỡ nano mét thì số nguyên tử trên bề


12
mặt là lớn so với tổng số nguyên tử của vật liệu, do đó hiệu ứng bề mặt đóng vai
trị quan trọng và ảnh hưởng nhiều đến tính chất từ. Hiệu ứng bề mặt làm giảm
mơmen từ bão hịa và là ngun nhân chính đóng góp vào giá trị dị hướng tổng
cộng trong các hạt nano Fe3O4.

Hình 1.6. Mơ hình lõi vỏ của một hạt nano từ [20]

Sự suy giảm của từ độ bão hòa được quan sát bằng thực nghiệm trong
nhiều hệ hạt nhỏ và được giải thích bằng sự tồn tại của lớp vỏ không từ (lớp chết
từ hoặc lớp spin nghiêng) trên bề mặt hạt [20]. Theo tác giả Gangopadhyay [21],
sự suy giảm mơmen từ bão hịa theo kích thước trong các hạt từ kích thước nano
có liên quan tới tỷ lệ đáng kể của diện tích bề mặt so với mẫu khối. Các hạt được
xem như các quả cầu với phần lõi có cấu trúc spin định hướng song song và từ
độ bão hòa tương tự như của mẫu khối đơn tinh thể lý tưởng (Hình 1.6). Trong

khi đó phần vỏ có cấu trúc spin bất trật tự do các sai lệch về cấu trúc tinh thể và
sự khuyết thiếu các ion, do đó có thể coi từ độ phần vỏ bé hơn nhiều so với phần
lõi. Khi kích thước hạt giảm, phần vỏ khơng từ đóng góp đáng kể vào tồn bộ
thể tích của hạt làm mômen từ giảm. Tác giả Coey [22] khi nghiên cứu các hạt
ferit từ γ-Fe2O3 đã đưa ra nhận định về sự xếp nghiêng một cách hỗn loạn của
các spin bề mặt tạo nên các tương tác phản sắt từ cạnh tranh giữa các phân mạng
đã làm giảm từ độ bão hịa của hạt. Do đó giá trị mơmen từ bão hòa trong các
hạt nano oxit sắt thường nhỏ hơn trong vật liệu khối.


13

Hình 1.7. Đường từ hóa của các hạt nano Fe3O4 kích thước trung bình 5 nm
(M5), 10 nm (M10), 50 nm (M50), 150 nm (M150) (hình nhỏ mơ tả sự phụ thuộc
của lực kháng từ vào kích thước hạt) [23].

Nghiên cứu của nhóm tác giả Goya trên các hạt nano Fe3O4 có kích thước
từ 5 nm đến 150 nm cho thấy sự suy giảm đáng kể từ độ bão hòa theo kích thước
hạt [23]. Mẫu kích thước 150 nm có mơ men từ bão hịa 75 emu/g tương ứng với
80% giá trị mô men từ của mẫu khối (93 emu/g), mẫu kích thước 5 nm giá trị
mơ men từ bão hịa tương ứng với 30 % mẫu khối (Hình 1.7). Sự suy giảm từ độ
trong các mẫu này được giải thích bởi sự tồn tại lớp vỏ khơng từ với spin sắp
xếp hỗn độn. Đối với vật liệu từ cỡ nano mét thì hiệu ứng bề mặt là ngun nhân
chính tạo ra dị hướng do sự đóng góp đáng kể của dị hướng từ bề mặt. Dị hướng
từ bề mặt được tạo ra do tính đối xứng tại bề mặt hạt bị phá vỡ cùng với sự suy
giảm điều phối lân cận gần nhất. Khi giảm kích thước hạt, năng lượng dị hướng
bề mặt sẽ chiếm ưu thế so với năng lượng dị hướng từ tinh thể và năng lượng
tĩnh từ do tỷ số các nguyên tử trên bề mặt hạt so với bên trong hạt tăng lên.
1.2.2.2. Tính chất liên quan đến hiệu ứng kích thƣớc
Các hiệu ứng kích thước được nghiên cứu nhiều nhất trong các hạt nano

từ là giới hạn đơn đômen và giới hạn siêu thuận từ. Thông thường trạng thái từ


14
của vật liệu từ được quyết định bởi sự cạnh tranh của các dạng năng lượng như:
năng lượng dị hướng, năng lượng tĩnh từ, năng lượng Zeman, năng lượng trao
đổi. Các dạng năng lượng này cạnh tranh với nhau theo xu hướng làm cực tiểu
năng lượng toàn hệ, do vậy cấu hình của vật liệu từ thường được chia thành các
cấu trúc đơmen từ. Khi kích thước của khối vật liệu giảm tới một giá trị tới hạn
nào đó, sự hình thành vách đơmen sẽ trở nên khơng thuận lợi về mặt năng lượng
và vật liệu sẽ có cấu trúc đơn đômen. Trong hạt đơn đômen các spin được sắp
xếp theo cùng một hướng. Bán kính đơn đơmen tới hạn được xác định thông qua
biểu thức sau [24].

rc

A
9

ex

K 1/2 

0 M S

(1.1)

trong đó, Aex là hệ số tương tác trao đổi, K là hằng số dị huớng từ tinh thể, μ0 là
độ từ thẩm chân không và MS là từ độ bão hịa.
1.3. Khái qt về tình hình nghiên cứu hạt nano từ Fe3O4

1.3.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Liên quan đến việc tổng hợp các hạt nano từ nói chung và hạt Fe 3O4 nói
riêng, trên thế giới cho đến nay có nhiều phương pháp hiện đang được sử dụng
như phương pháp đồng kết tủa, phương pháp sol-gel, phương pháp thủy nhiệt và
phương pháp phân hủy nhiệt (tổng hợp trong dung môi hữu cơ ở nhiệt độ sôi
cao). Trong số các phương pháp vừa nêu, phương pháp đồng kết tủa được sử
dụng phổ biến nhất do tính đơn giản, rẻ tiền và ít gây ảnh hưởng tới mơi trường.