NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO FE0 TRÊN NỀN POLYME VÀ ỨNG DỤNG XỬ LÍ HỢP CHẤT HỮU CƠ CHỨA CLO

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM
KHOA MÔI TRƯỜNG

= = = = = = = =

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO FE 0 TRÊN
NỀN POLYME VÀ ỨNG DỤNG XỬ LÍ
HỢP CHẤT HỮU CƠ CHỨA CLO

Người thực hiện

: NGUYỄN PHƯƠNG THÚY

Lớp

: MTC

Khóa

: 57

Chun ngành

: MƠI TRƯỜNG

Giáo viên hướng dẫn : ThS LÊ THỊ THU HƯƠNG

HÀ NỘI – 2016

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM
KHOA MÔI TRƯỜNG

= = = = = = = =

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO FE 0 TRÊN
NỀN POLYME VÀ ỨNG DỤNG XỬ LÍ
HỢP CHẤT HỮU CƠ CHỨA CLO

Người thực hiện

: NGUYỄN PHƯƠNG THÚY

Lớp

: MTC

Khóa

: 57

Chun ngành

: MƠI TRƯỜNG

Giáo viên hướng dẫn : ThS LÊ THỊ THU HƯƠNG
Địa điểm thực tập

: BỘ MƠN HĨA – KHOA MƠI TRƯỜNG

HÀ NỘI - 2016


LỜI CẢM ƠN

Trong suốt q trình thực tập, ngồi sự nỗ lực của bản thân tơi cịn nhận
được sự giúp đỡ nhiệt tình của tập thể, cá nhân trong và ngồi trường.
-Trước hết, tơi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của giáo viên
hướng dẫn ThS.Lê Thị Thu Hương đã động viên, tận tình chỉ bảo, tạo điều kiện
thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn tốt nghiệp.
- Xin chân thành cảm ơn ban giám hiệu Học Viện Nông nghiệp Hà Nội, các
thầy cô trong khoa Môi trường đặc biệt là các thầy cơ ở bộ mơn Hóa đã tạo điều
kiện thuận lợi cho tôi thực hiện đề tài.
- Cuối cùng tôi xin cảm ơn gia đình, bạn bè và người thân đã luôn bên cạnh
cổ vũ, động viên và giúp đỡ tôi vượt qua khó khăn.
Hà Nội, ngày 23 tháng 6 năm 2016
Sinh Viên
Nguyễn Phương Thúy

i


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................ i
MỤC LỤC ............................................................................................................. ii
DANH TỪ VIẾT TẮT ......................................................................................... iv
DANH MỤC BẢNG ............................................................................................. v

DANH MỤC HÌNH ............................................................................................. vi
ĐẶT VẤN ĐỀ ....................................................................................................... 1
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ............................. 3
1.Tổng quan về công nghệ nano ........................................................................... 3
1.1Khái niệm công nghệ nano ............................................................................... 3
1.2 Tiềm năng của công nghệ Nano ...................................................................... 3
1.3 Vật liệu nano ................................................................................................... 4
1.3.1 Phương pháp chế tạo vật liệu nano .............................................................. 5
1.4 Ứng dụng công nghệ nano trong xử lý môi trường ........................................ 6
1.4.1 Ứng dụng xử lý môi trường nước ................................................................ 7
1.4.2 Ứng dụng xử lý mơi trường khơng khí ...................................................... 13
2. Tổng quan về Fe và ứng dụng nano Fe trong xử lý HCHC chứa clo ............. 15
2.1 Sắt .................................................................................................................. 15
2.2 Ứng dụng của nano Fe trong xử lí HCHC .................................................... 17
3 Tổng quan về hợp chất hữu cơ chứa clo .......................................................... 21
3.1 Khái niệm ...................................................................................................... 21
3.2 Nguồn gốc của các hợp chất clo hữu cơ ....................................................... 22
3.3 Độc tính của các hợp chất Clo hữu cơ .......................................................... 22
3.4 Hợp chất hữu cơ chứa Clo TCE .................................................................... 23
3.5. Ảnh hưởng của TCE và tình trạng ơ nhiễm TCE trong môi trường ............ 25
4 Tổng quan vật liệu nano Fe0 trên nền Chitosan .............................................. 27
4.1 Khái niệm chitosan ........................................................................................ 27
4.1.1 Nguồn gốc .................................................................................................. 27
4.1.3 Cấu trúc hoá học của chitosan và một vài dẫn xuất. .................................. 29
ii


4.1.4 Tính chất vật lý của chitin/chitosan. .......................................................... 29
4.1.5 Tính chất hoá học của chitin/chitosan. ....................................................... 29
4.1.6. Khả năng hấp phụ tạo phức với các ion kim loại chuyển tiếp của

chitin/chitosan và một vài dẫn xuất..................................................................... 30
4.1.7 Một số ứng dụng của chitin /chitosan và các dẫn xuất. ............................. 31
4.2 Khả năng khử Clo của vật liệu nano Fe0 trên nền chitosan..................... 31
CHƯƠNG II : NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................... 33
1. Đối tượng nghiên cứu ...................................................................................... 33
2. Phạm vi nghiên cứu ......................................................................................... 33
4 Phương pháp nghiên cứu .................................................................................. 33
4.1 Phương pháp thu thập số liệu ........................................................................ 33
4.2 Phương pháp tiến hành thí nghiệm ............................................................... 33
4.2.1 Phương pháp điều chế vật liệu nano Fe0 .................................................... 34
4.2.2 Phương pháp kiểm tra đặc tính của vật liệu ............................................... 34
4.2.3 Phương pháp khảo sát khả năng xử lí của Fe Fe0 nano với hợp chất hữu cơ
chứa clo ............................................................................................................... 35
4.3 Phương pháp xử lí số liệu.............................................................................. 35
CHƯƠNG III : KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................... 36
3.1 Chế tạo vật liệu nano Fe0 trên nền Chitosan ................................................. 36
3.2 Tính chất của vật liệu .................................................................................... 36
3.3 Khảo sát khả năng xử lý TCE của vật liệu .................................................... 38
3.3.1 Khảo sát sự thay đổi theo thời gian ............................................................ 38
3.3.2 Khảo sát sự thay đổi theo pH ..................................................................... 40
3.3.4 Khảo sát sự thay đổi theo khối lượng vật liệu nano ................................... 41
3.3.5 Khảo sát sự thay đổi theo khối lượng vật liệu nano, pH và thời gian lắc .. 43
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ............................................................................. 44
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 45

iii


DANH MỤC VIẾT TẮT
MEMS

micro-electromechanical systems : hệ thống vi cơ điện

TNHH

Trách nhiệm hữu hạn

ZVI

Zero-Valent Iron : trạng thái hóa trị 0 của Fe

CCN

Cụm công nghiệp

GS. TSKH
TS
HCHC

Giáo sư tiến sĩ khoa học
Tiến sĩ
Hợp chất hữu cơ

MRI

Chụp Cộng hưởng từ

TCE

Trichloroethylene

PCE

Perchloroethylene

SEM

Phương pháp kính hiển vi điện tử quét

iv


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1 Những hợp chất có thể xử lý dễ dàng bằng nano Fe0
Bảng 3.1 Kết quả phân tích mối tương quan giữa thời gian và hiệu suất xử lý TCE
............................................................................................................................. 39
Bảng 3.2 Kết quả phân tích mối tương quan giữa pH và hiệu suất xử lý TCE .. 40
Bảng 3.3 Kết quả phân tích mối tương quan giữa khối lượng vật liệu và hiệu suất
xử lý TCE ............................................................................................................ 42

v


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1 Cấu trúc phân tử nano ............................................................................ 9
Hình 1.2 Ống nano lọc nước ............................................................................... 11
Hình 1.3 Cấu tạo phân tử TCE ............................................................................ 23
Hình 1.4 cấu trúc chitin / chitosan ..........................................................................
Hình 1.5 Cấu trúc của chitin ............................................................................... 29
Hình 1.6 Cấu trúc của chitosan (hay Poliglusam; Deacetylchitin; Poly(D)glucosamine) .................................................................................................. 29

Hình 3.1 Vật liệu trước và sau sấy ...................................................................... 36
Hình 3.2 Hình ảnh bề mặt vật liệu được chụp bằng kính hiển vi điện tử qt
(SEM). ................................................................................................................. 37
Hình 3.3 Cấu tạo mơ phỏng bằng hình vẽ vật liệu nano sắt Hóa trị 0 ................ 38
Hình 3.4: Biểu đồ mối quan hệ giữa thời gian lắc mẫu và hiệu suất xử lý TCE 39
Hình 3.5: Biểu đồ mối quan hệ giữa pH và hiệu suất xử lý TCE ....................... 40
Hình 3.6: Biểu đồ mối quan hệ giữa khối lượng vật liệu và hiệu suất xử lý TCE ... 42

vi


ĐẶT VẤN ĐỀ
Tính cấp thiết của đề tài
Trong vài thập kỷ vừa qua, ở Việt Nam, sự phát triển khoa học và cơng
nghệ và sự đơ thị hố làm tăng ô nhiễm môi trường do nguồn khí thải, nước thải
và chất thải rắn không được sử lý một cách triệt để. Q trình cơng nghiệp hóa,
hiện đại hóa đang diễn ra mạnh mẽ trên cả nước làm thay đổi hàng ngày nền
kinh tế xã hội cũng như mọi mặt của cuộc sống . Đồng thời sự phát triển đó cũng
đã gây ra vấn đề ơ nhiễm mơi trường nói chung , ơ nhiễm nguồn nước nói riêng
mà trong đó ơ nhiễm chất hữu cơ nguồn nước đang có chiều hướng gia tăng mạnh
mẽ. Một trong số những tác nhân gây ô nhiễm nguồn nước là hợp chất hữu cơ
chứa Clo .
Và công nghệ nano ra đời để giải quyết vấn đề bức thiết này . Đối tượng
nghiên cứu của công nghệ nano là vật liệu nano . Một số nước phát triển trên thế
giới như Mỹ, Nhật và các nước châu Âu đã nhìn nhận cơng nghệ nano như một
trong những lĩnh vực triển vọng nhất cuả thế kỷ 21 , được đầu tư nghiên cứu mạnh
mẽ để giải quyết vấn đề ơ nhiễm mơi trường nói chung và ơ nhiễm nguồn nước
do hợp chất chứa Clo nói riêng.
Các hợp chất Clo hữu cơ nằm trong các hợp chất được sử dụng rộng rãi
trong công nghiệp . Các hợp chất Clo hữu cơ có tác động mạnh tới mơi trường

vì chúng rất độc và khó phân hủy khi đốt cháy . Các chất này là thường là các
hợp chất Clo hữu cơ mạch vòng , ổn định về cấu trúc hóa học nên tồn tại rất
bền vững và có thể luân chuyển trong môi trường . Đặc biệt các chất này cịn
có thể tích lũy trong cơ thể người và động vật thông qua thức ăn . Thời gian
phân hủy và chuyển hóa các hợp chất này thường kéo dài hàng chục năm và
thường để lại những hậu quả và di chứng nặng nề cho con người và động vật.
Hợp chất hữu cơ chứa Clo khi ở trong môi trường nước dẫn đến nguồn nước
bị ô nhiễm chất hữu cơ làm cho nước có màu sắc và mùi vị khó chịu, có nhiều
hợp chất độc hại và gây tác động xấu đến sức khoẻ con người. Vì vậy, tơi tiến

1


hành đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano Fe 0 trên nền polyme và ứng
dụng xử lí hợp chất hữu cơ chứa clo ”
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
- Xác định được phương pháp tổng hợp vật liệu nano Fe0 trên nền Chitosan
- Nghiên cứu khả năng xử lí hợp chất hữu cơ chứa clo của vật liệu nano Fe0
trên nền Chitosan.
- Xác định được điều kiện tối ưu xử lý hợp chất hữu cơ chứa Clo của vật
liệu nano Fe0 trên nền Chitosan.

2


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.Tổng quan về công nghệ nano
1.1Khái niệm công nghệ nano
Công nghệ Nano (Nanotechnology), hay còn gọi là sản xuất phân tử, là một
ngành khoa học kỹ thuật liên quan tới thiết kế và sản xuất các mạch điện tử và

thiết bị cực nhỏ ở cấp độ phân tử của vật thể . Viện công nghệ Nano Anh quốc
(Institute of Nanotechnology) định nghĩa Nano là “một ngành khoa học và công
nghệ mà ở đó các kích thước từ 0,1nm (Nanomét) tới 100nm đóng vai trò chủ
đạo” . Nanomét là đơn vị đo lường vũ trụ bằng 1 phần tỷ mét. Công nghệ Nano
thường đi đôi với các hệ thống vi cơ điện MEMS (micro-electromechanical
systems). Các hệ thống này thường sử dụng công nghệ Nano nhưng có thể bao
gồm cả các cơng nghệ khác ở cấp độ cao hơn phân tử .
Chương trình Nano quốc gia của Mỹ NNI định nghĩa công nghệ Nano phải
bao hàm:
– Nghiên cứu và phát triển công nghệ ở cấp độ phân tử hoặc vi phân, với
kích thước khoảng 1 – 100 nm.
– Tạo ra và sử dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống có các đặc tính và
chức năng mới do kích thước cực nhỏ.
– Có khả năng kiểm soát và thao tác ở cấp độ nguyên tử.
1.2 Tiềm năng của công nghệ Nano
Không giống các công nghệ khác , thường bắt nguồn từ một bộ môn khoa
học cụ thể, nhưng công nghệ nano là sự kết hợp của nhiều bộ môn khoa học. Công
nghệ nano được xác định bằng quy mô hoạt động . Khoa học nano và công nghệ
nano liên quan đến việc nghiên cứu vật chất ở kích thước siêu nhỏ . Một nano mét
bằng 1 phần triệu của 1mm và một sợi tóc của con người rộng khoảng 80.000
nano mét. Kích thước của vật liệu nano quá nhỏ làm cho con người khó nhìn thấy.
Kích thước nano cho phép xử lý những bộ phận nhỏ nhất của vật chất . Hoạt động
ở kích thước nano sẽ liên kết các nguyên tử và phân tử để khai thác dễ dàng hơn
3


các đặc điểm của vật chất . Giống như xây dựng một mơ hình từ những viên gạch
Lego, chúng ta sẽ hình dung về việc tạo ra các vật liệu mới hoặc thay đổi các vật
liệu cũ. Trong các ứng dụng như lọc nước, các vật liệu có thể được làm mới hoặc
điều chỉnh để lọc sạch các kim loại nặng và độc tố sinh học.

Các vật liệu kích thước nano thường có các đặc tính về quang học và dẫn
điện khác với vật liệu cùng loại có kích thước nhỏ hay lớn . Ví dụ, titan oxit nano
là chất xúc tác hiệu quả hơn titan oxit có kích thước nhỏ . Có thể sử dụng titan
oxit nano để phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ trong xử lý nước . Tuy nhiên,
trong nhiều trường hợp, kích thước nhỏ của các hạt nano được sản xuất sẽ làm
cho vật liệu độc hơn mức bình thường .
Nguyên tắc chủ yếu của các công nghệ nano là giảm các vấn đề nan giải về
nước, là giải quyết các khó khăn về kỹ thuật để xử lý các chất ô nhiễm trong nước,
bao gồm vi khuẩn, virút, asen, thủy ngân, thuốc bảo vệ thực vật và muối. Nhiều
nhà nghiên cứu và kỹ sư khẳng định, công nghệ nano đảm bảo các giải pháp hiệu
quả và bền vững hơn vì sử dụng các hạt nano để xử lý nước ít gây ơ nhiễm hơn
so với các phương pháp truyền thống và đòi hỏi ít nhân công, vốn, đất đai và năng
lượng.
1.3 Vật liệu nano
Vật liệu nano là loại vật liệu có kích thước cỡ nanômét . Đây là đối tượng
nghiên cứu của khoa học nano và cơng nghệ nano, nó liên kết hai lĩnh vực trên
với nhau . Tính chất của vật liệu nano bắt nguồn từ kích thước của chúng, vào
cỡ nanơmét,đạt tới kích thước tới hạn của nhiều tính chất hóa lý của vật liệu thông
thường. Đây là lý do mang lại tên gọi cho vật liệu.Kích thước vật liệu nano trải
một khoảng từ vài nm đến vài trăm nm phụ thuộc vào bản chất vật liệu và tính
chất cần nghiên cứu.
Định nghĩa về khoa học nano dựa trên tiền tố nano của tiếng Hi Lạp có
nghĩa là nhỏ xíu , rất nhỏ. Trong kĩ thuật nano có nghĩa là bằng một phần tỉ của
cái gì đó, 10-9(1/1.000.000.000) . Một nano mét bằng 10-9m, một đơn vị đo lường
để đo kích thước những vật cực nhỏ. Cơ cấu nhỏ nhất của vật chất chính là nguyên
4


tử có kích thước khoảng 1nm, phân tử là hợp của nhiều ngun tử và có kích
thước khoảng 1nm, vi khuẩn: 50nm, hồng huyết cầu 10.000 nm, sợi tóc:

100.000nm, đầu cây kim: 1 triệu nm và chiều cao con người: 2 tỉ nm.Vật liệu nano
có thể định nghĩa là những vật liệu mà thành phần cấu trúc của nó có mộtchiều
với kích thước dưới 100 nm. Những vật liệu có một chiều ở kích thước nano là
các lớp (layers) như các màng mỏng hay các lớp phủ bề mặt. Các vật liệu có hai
chiều ở kích thước nanocó thể kể đến là các sợi nano (nanowires) hay các ống
nano (nanotubes). Những vật liệu có ba chiều với kích thước nano bao gồm các
hạt nano (nano particles) . Ngoài ra các vật liệu mao quản nằm trong khoảng vài
đến vài chục nano mát cũng được gọi là các vật liệu có cấu trúc nano
(nanostructured materials).
1.3.1 Phương pháp chế tạo vật liệu nano
Vật liệu nano được chê tạo băng 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.
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. Đây là các phương pháp đơn giản,
rẻ tiền nhưng rất hiệu quả, có thể tiến hành cho nhiều loại vật liệu với kích thước
khá lớn (ứng dụng làm vật liệu kết cấu). 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 (còn gọi là nghiền kiểu hành tinh). 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). Phương pháp biến dạng được sử dụng với các kỹ thuật đặc biệt
nhằm tạo ra sự biến dạng cự lớn(có thể >10) mà khơng làm phá huỷ vật liệu, đó
là các phương pháp SPD điển hình. Nhiệt độ có thể được điều chỉnh tùy thuộc vào
từng trường hợp cụ thể . Nếu nhiệt độ gia công lớn hơn nhiệt độ kết tinh lại thì
5

được gọi là biến dạng nóng , cịn ngược lại thì được gọi là biến dạng nguội. Kết
quả thu được là các vật liệu nano một chiều (dây nano) hoặc hai chiều (lớp có
chiều dày nm). Ngồi ra, hiện nay người ta thường dùng các phương pháp quang
khăc đê tạo ra các cấu trúc nano phức tạp .
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 triên 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 . Phương pháp từ dưới lên có thê là phương
pháp vật lý, hóa học hoặc kết hợp cả hai phương pháp hóa-lý .
• Phương pháp vật lý: là phương pháp tạo vật liệu nano từ nguyên tử hoặc
chuyên pha. Nguyên tử hình thành vật liệu nano được tạo ra từ phương pháp vật
lý: bốc bay nhiệt (đốt, phóng xạ, phóng điện hồ quang). Phương pháp chuyển
pha: vật liệu được nung nóng rồi cho nguội với tốc độ nhanh để thu được trạng
thái vơ định hình, xử lý nhiệt để xảy ra chuyển pha vơ định hình - tinh thể (kết
tinh) (phương pháp nguội nhanh).
Phương pháp vật lý thường được dùng để tạo các hạt nano, màng nano,
ví dụ: ổ cứng máy tính.
• Phương pháp hóa học: là phương pháp tạo vật liệu nano từ các ion.
Phương pháp hóa học có đặc điểm là rất đa dạng vì tùy thuộc vào vật liệu
cụ thể mà người ta phải thay đổi kỹ thuật chế tạo cho phù hợp . Tuy nhiên, chúng
ta vẫn có thể phân loại các phương pháp hóa học thành hai loại: hình thành vật
liệu nano từ pha lỏng (phương pháp kết tủa, sol-gel,...) và từ pha khí (nhiệt
phân,...). Phương pháp này có thể tạo các hạt nano, dây nano, ống nano, màng
nano, bột nano,...
• Phương pháp kết hợp: là phương pháp tạo vật liệu nano dựa trên các
nguyên tắc vật lý và hóa học như: điện phân, ngưng tụ từ pha khí,... Phương pháp
này có thể tạo các hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano, bột nano,...
1.4 Ứng dụng công nghệ nano trong xử lý môi trường
6

1.4.1 Ứng dụng xử lý môi trường nước
- Màng lọc nano đã được ứng dụng phổ biến để xử lý muối hịa tan và các
chất ơ nhiễm có kích thước nhỏ, làm mềm nước và xử lý nước thải. Màng lọc nano
đóng vai trị như rào cản vật lý, ngăn chặn các hạt và vi sinh vật lớn hơn lỗ của
màng lọc và loại bỏ có chọn lọc các chất ô nhiễm.
- Công nghệ nano sẽ góp phần cải tiến hơn nữa cơng nghệ màng đồng thời
cịn làm giảm chi phí rất lớn trong quy trình khử mặn. Các nhà khoa học đang
phát triển những loại vật liệu mới có lỗ nano hoạt động hiệu quả hơn các thiết bị
lọc truyền thống . Ví dụ, một nghiên cứu ở Nam Phi đã chứng minh, màng lọc
nano có thể lọc nước uống an tồn từ nước ngầm mặn. Một nhóm các nhà khoa
học ở Ấn Độ và Hoa Kỳ đã phát triển các thiết bị lọc bằng ống nano cácbon xử lý
vi khuẩn và virút hiệu quả hơn các thiết bị màng lọc truyền thống.
- Đất sét attapulgite và zeolit trong tự nhiên còn được dùng trong các
thiết bị lọc nano . Chúng có các lỗ kích thước nano mét và được sử dụng ở nhiều
nơi trên thế giới. Một nghiên cứu sử dụng màng lọc đất sét attapulgite để lọc nước
thải của một nhà máy sữa ở Algêri cho thấy, loại màng này có thể lọc các chất
hữu cơ trong nước thải để sản xuất nước uống an toàn. Ngoài ra, zeolit cũng được
dùng để tách các chất hữu cơ độc hại từ nước và khử các ion kim loại nặng. Các
nhà nghiên cứu tại Tổ chức Nghiên cứu và Khoa học Khối thịnh vượng Ôxtrâylia
đã chế tạo ra hydrotalcite, một loại đất sét tổng hợp hấp thụ asen và loại bỏ asen
khỏi nước . Các nhà nghiên cứu còn đề xuất về loại bao gói mới cho sản phẩm
này giống như “túi chè nhúng” để phục vụ những người có thu nhập thấp (Có thể
nhúng “túi chè” vào các nguồn cung cấp nước khoảng 15 phút trước khi uống).
Bán gói chè đã qua sử dụng cho các chính quyền địa phương sẽ thúc đẩy hoạt
động tái chế và giúp xử lý chất thải có chứa asen .
- Dùng cơng nghệ nano để xử lý nước
Các chất xúc tác nano, nam châm và thiết bị dò: Các chất xúc tác nano và
các hạt nano từ tính là những ví dụ về cơng nghệ nano có thể biến nước ơ nhiễm

7


nặng thành nước uống, hợp vệ sinh và làm nước tưới. Các chất xúc tác có kích
thước nano có các đặc tính xúc tác hiệu quả hơn .
Chúng có thể phân hủy về mặt hóa học các chất ơ nhiễm thay vì chỉ đẩy
chúng đến nơi khác, kể cả các chất ơ nhiễm mà các cơng nghệ hiện có xử lý khơng
hiệu quả hoặc địi hỏi chi phí cao . Các nhà nghiên cứu tại Viện Khoa học Ấn Độ
ở Bangalore đã sử dụng titan oxít nano cho mục đích này . Các hạt nano từ tính
có diện tích bề mặt lớn tỷ lệ với thể tích của chúng và có thể dễ dàng liên kết với
các hóa chất . Trong các ứng dụng về xử lý nước, các hạt nano từ tính có thể được
dùng để liên kết với các chất ô nhiễm như asen hay dầu mỏ để loại bỏ các chất ô
nhiễm bằng nam châm . Một số cơng ty đang thương mại hóa các cơng nghệ này
và các nhà nghiên cứu vẫn đang thường xuyên công bố những phát hiện mới trong
lĩnh vực này .
Các nhà khoa học tại Đại học Rice ở Hoa Kỳ đang sử dụng hạt “nano từ
tính”để xử lý asen trong nước uống. Diện tích bề mặt hạt nano từ tính lớn nghĩa
là nano từ tính có thể hút asen gấp 100 lần loại nano từ tính có diện tích bề mặt
lớn hơn . Nhóm nghiên cứu dự báo, 200-500mg nano từ tính có thể xử lý 1 lít
nước. Họ đang phát triển phương pháp sản xuất nano từ tính từ các thiết bị gia
dụng rẻ tiền, sẽ làm giảm đáng kể chi phí sản xuất, đưa sản phẩm này đến với
cộng đồng ở các nước đang phát triển .
Cùng với khả năng xử lý nước, cơng nghệ nano cịn phát hiện ra các chất ô
nhiễm sinh ra trong nước . Các nhà nghiên cứu đang phát triển các công nghệ
cảm biến mới kết hợp sản xuất ở kích thước nhỏ và cỡ nano để tạo ra các bộ cảm
biến nhỏ, di động và có độ chính xác cao có thể phát hiện các hóa chất và chất
sinh hóa trong nước . Một số consortium trong lĩnh vực nghiên cứu đang thử
nghiệm tại hiện trường các thiết bị này và sẽ nhanh chóng thương mại hóa chúng
. Ví dụ, một nhóm các nhà nghiên cứu tại Đại học Pennsylvania đã nghiên cứu

phương pháp phát hiện asen trong nước bằng dây nano gắn lên chíp silicon .

8


Hình 1.1 Cấu trúc phân tử nano
Hiện nay, có một số sản phẩm điển hình ra đời ở các nước đang phát triển
và các sản phẩm khác bắt nguồn từ nơi khác nhưng liên quan mật thiết với nhu
cầu của các nước phương Nam .
1. Xốp nano giữ nước mưa do Viện Công nghệ Massachusetts (Hoa Kỳ)
sản xuất: Hợp chất polyme và các hạt nano thủy tinh được phủ trên bề mặt như
vải để hút nước. Xốp nano hoạt động hiệu quả hơn so với vật liệu truyền thống .
Xốp nano dung để giữ nước mưa ở các nước: Trung Quốc, Neepal và Thái Lan.
2. Hạt nano từ tính xử lý asen do Đại học Rice (Hoa Kỳ) sản xuất: Các
hạt nano từ tính gồm các ion oxit lơ lửng trong nước liên kết với asen, sau đó loại
bỏ bằng một nam châm. Ấn Độ, Bangladesh và các nước đang phát triển khác có

9


hàng nghìn trường hợp nhiễm độc asen mỗi năm là do các giếng nước bị ô nhiễm
asen.
3. Màng khử mặn do Đại học California, Los Angeles và NanoH2O sản
xuất: Hợp chất polyme và hạt nano hút các ion nước và đẩy muối hịa tan. Màng
khử mặn đã có mặt trên thị trường, cho phép khử mặn với chi phí năng lượng thấp
hơn so với phương pháp thẩm thấu .
4. Màng lọc nano do Công ty Saehan (Hàn Quốc) sản xuất: Màng lọc
nano được sản xuất từ polyme có kích thước lỗ từ 0,1 -10 nano mét. Màng lọc
nano được thử nghiệm xử lý nước uống ở Trung Quốc và khử mặn nước ở Iran
địi hỏi ít năng lượng hơn phương pháp thẩm thấu ngược .

5. Que nước trong lưới nano do Phịng thí nghiệm Seldon (Hoa Kỳ) sản
xuất: Thiết bị lọc có hình dạng như cọng rơm sử dụng các ống nano cácbon đặt
lên trên vật liệu dẻo có lỗ. Que nước làm sạch nước uống .
Các bác sỹ ở châu Phi đang sử dụng mẫu que nước trong lưới nano và sản
phẩm cuối cùng sẽ được sản xuất ở các nước đang phát triển với chi phí thích hợp
.
6. Thiết bị lọc thông dụng do Công ty KX (Hoa Kỳ) sản xuất: Thiết bị
lọc sử dụng lớp sợi nano được chế tạo từ các polyme, nhựa thông, gốm và các vật
liệu khác để xử lý các chất ô nhiễm. Thiết bị được chế tạo dành riêng cho hộ gia
đình trong cộng đồng ở các nước đang phát triển sử dụng . Các thiết bị lọc hiệu
quả, dễ sử dụng và không cần phải bảo dưỡng .
7. Thiết bị lọc thuốc bảo vệ thực vật do Viện Công nghệ Ấn Độ ở
Chennai và Công ty TNHH Eureka Forbes (Ấn Độ) sản xuất: Thiết bị này sử
dụng bạc nano để hút và sau đó phân hủy 3 loại thuốc bảo vệ thực vật thường thấy
trong các nguồn cung cấp nước ở Ấn Độ. Thuốc bảo vệ thực vật thường tồn tại
trong các nguồn cung cấp nước của các nước đang phát triển. Thiết bị lọc thuốc
bảo vệ thực vật có thể cung cấp cho mỗi hộ gia đình ở Ấn Độ 6000 lít nước sạch
mỗi năm.

10


- Áp dụng công nghệ nano cho thiết bị lọc nước
Công nghệ nano đã được phát triển rộng khắp trong thập kỷ qua và có thể
chế tạo ra nhiều vật liệu mới có phạm vi ứng dụng tiềm năng chẳng hạn như các
ống nano các bon. Ống nano các bon bao gồm các phân tử các bon hình trụ có
đường kính vài nano mét - 1 nano mét bằng 1 phần triệu của 1 mm.
Các ống nano các bon có đặc tính điện tử, cơ học và hóa học khác lạ như
chúng có thể được sử dụng để lọc nước ô nhiễm . Các nhà khoa học tại Đại học
Vienna mới đây đã đăng tải nghiên cứu về lĩnh vực mới này trên tạp chỉ nổi tiếng

Environmental Science & Technology .

Hình 1.2 Ống nano lọc nước
Các ống nano các bon có nhiều khả năng ứng dụng trong đó có xử lý nước
ô nhiễm . Nhiều chất ô nhiễm trong nước có khả năng bám dính mạnh với các ống
nano các bon và các chất ô nhiễm được loại bỏ khỏi nước ô nhiễm nhờ các thiết
bị lọc được làm từ vật liệu nano này, chẳng hạn thuốc hòa tan trong nước khó tách
ra khỏi nước bằng các bon hoạt tính.
Những khó khăn do sự bão hịa của các thiết bị lọc giảm bớt khi các ống
nano các bon có diện tích bề mặt rất rộng (500 m2/gram ống nano) nên khả năng
giữ lại các chất ô nhiễm ở mức cao.

11


Trong thập kỷ qua có nhiều nghiên cứu về các ống nano các bon . Tuy
nhiên, các đặc tính khác lạ của các ống nano các bon gây khó khăn cho q trình
nghiên cứu . Các phương pháp thơng thường cho ra kết quả hạn chế và hoạt động
của các ống nano trong điều kiện thực tế vẫn ít được biết tới . Mélanie Kahm, cán
bộ nghiên cứu cho dự án này cùng với Xiaoran Zhang cho rằng các công nghệ
mới thường đi kèm với các lợi ích và hạn chế cho con người và chất lượng môi
trường. Nhận thức sâu sắc về các mối tương tác giữa các chất ô nhiễm và ống
nano các bon cũng như cách thức các ống nano các bon hoạt động trong môi
trường là cần thiết trước khi sử dụng chúng trong các thiết bị lọc .
Một nhóm các nhà nghiên cứu tại khoa Khoa học địa chất môi trường thuộc
Đại học Vienna đang tiến hành nghiên cứu về chủ đề này . Họ đã triển khai phương
pháp “lấy mẫu bị động“ (passive sampling) cung cấp dữ liệu có độ tin cậy cao hơn
cho các ứng dụng thực tế vì bao gồm cả nồng độ có khả năng xuất hiện trong mơi
trường (thường rất thấp). Trái lại, các phương pháp truyền thống chỉ có thể xử lý
nồng độ cao .

- Để xử lý nhiều chủng loại các chất độc hại và những chất khó bị phân
hủy trong mơi trường, thì từ gần 20 năm trở lại đây các nhà khoa học trên thế giới
nói chung và tại Việt Nam nói riêng đã giành sự quan tâm đặc biệt tới việc nghiên
cứu trạng thái hóa hóa trị 0 của hạt nano Fe 0 (tiếng Anh là Zero-Valent Iron, viết
tắt là ZVI). Đây là một chất khử mạnh, nó có thể tham gia vào nhiều phản ứng
oxy hóa - khử khi nhường điện tử cho những chất oxy hóa . ZVI đã được nghiên
cứu sử dụng như chất khử hữu hiệu trong công nghệ xử lý mơi trường . Ngay khi
ở kích thước micromet, ZVI cũng đã có hoạt tính khá tốt trong những phản ứng
giải trừ các hợp chất chứa Clo, Nitơ trong đất và nước, đặc biệt xử lý nước ngầm
.
Với việc ứng dụng thành công 2 trạm xử lý nước thải tập chung khu công
nghiệp Thạch Thất – Quốc Oai – Hà Nội và CCN Quất Động - Thường Tín - Hà
Nội bằng cơng nghệ dùng vật liệu tổ hợp Nano sắt hóa trị 0 đã đánh dấu bước

12


ngoặt trong công nghệ xử lý môi trường nước và mở ra một hướng mới để xử lý
nước
- Gần đây, các nhà khoa học thuộc phịng Hóa vơ cơ - Viện Hóa học đã
nghiên cứu chế tạo thành cơng hệ thống xử lý nước nhiễm Asen và kim loại nặng
sử dụng cơng nghệ Nano VAST, trong đó có sử dụng 2 loại vật liệu hấp phụ asen
tiên tiến chế tạo trong nước là NC-F20 và NC-MF. Đây là kết quả nghiên cứu của
đề tài “Hồn thiện cơng nghệ và chế tạo thiết bị xử lý nước nhiễm asen sử dụng
vật liệu hấp phụ hiệu năng cao NC-F20 cho vùng nông thơn Hà Nam” thuộc
Chương trình mục tiêu quốc gia về nước sạch và vệ sinh môi trường nông thôn,
do KSC. Phạm Văn Lâm – Phịng Hóa vơ cơ - Viện Hóa học làm chủ nhiệm.
Hệ thống Nano Vast ban đầu đã được triển khai ứng dụng vào thực tiễn tại
trạm xá xã Nhân Khang – Lý Nhân – Hà Nam, có khả năng loại bỏ asen từ 200
ppb xuống dưới 5 ppb (tiêu chuẩn là 10 ppb) với công suất xử lý 1,5m3/h đạt tiêu

chuẩn về asen trong nước ăn uống. Hệ thống được thiết kế dạng modul chuẩn
nhằm lắp ghép dễ dàng, điều khiển hệ thống theo hai chế độ: tự động hoàn toàn
hoặc bằng tay. Đến nay hệ thống Nano Vast đã được triển khai và nhân rộng tại
nhiều địa bàn trong cả nước với các công suất là 0,8m3/h, 1,2m3/h và 1,5m3/h .
Hệ thống NanoVAST hiện được thiết kế tương đối chuyên nghiệp với
những ưu điểm nổi bật như khơng dùng hóa chất, điều khiển hồn tồn tự động
hoặc bán tự động, giảm đến mức tối đa can thiệp của các thao tác vận hành . Chất
lượng nước sau xử lý đảm bảo tiêu chuẩn nước ăn uống với hàm lượng asen <
5μg/l (tiêu chuẩn nồng độ asen an tồn là: <10μg/l). Hệ thống có hình thức đẹp,
cấu trúc chắc chắn . Có thể sử dụng rộng rãi ở quy mơ cụm gia đình cơ quan xí
nghiệp, trường học, bệnh viện
1.4.2 Ứng dụng xử lý môi trường khơng khí
Việc ứng dụng hiệu ứng quang xúc tác của nano TiO2, nanocomposite TiO2
(tổ hợp của nano TiO2 và apatite tạo ra vật liệu nanocomposit TiO 2) để phân hủy
các chất ơ nhiễm trong khơng khí được coi là một trong các giải pháp kỹ thuật
quan trọng giúp làm cho mơi trường sạch hơn . Phương pháp này có ưu điểm hơn
13


so với phương pháp lọc bằng chất hấp phụ truyền thống; chi phí đầu tư và vận
hành thấp (chỉ cần ánh sáng mặt trời, oxy và độ ẩm trong không khí); q trình
oxy hóa được thực hiện trong điều kiện nhiệt độ và áp suất bình thường; hầu hết
các chất độc hữu cơ đều có thể bị oxi hóa thành sản phẩm cuối cùng là CO 2 và
H2O.
Ở Việt Nam, nghiên cứu vật liệu nano TiO2 cấu trúc anatase và ứng dụng
chúng để xử lý ô nhiễm môi trường đã được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên
cứu từ những năm 1990 . Một trong những cơ sở quan tâm nghiên cứu sớm về
TiO2 cấu trúc anatase và đưa vào ứng dụng là một số nhà Khoa học trong Viện
Vật lý Ứng dụng và thiết bị Khoa học (TS. Trần Trần Đức, TS Nguyễn Trọng
Tĩnh...). Sau đó một số nhóm nghiên cứu trong Viện Khoa học vật liệu cũng đã

triển khai nghiên cứu TiO2, đáng chú ý là một số kết quả của tập thể các nhà khoa
học, kết hợp giữa Viện Khoa học vật liệu và Viện Vật lý ứng dụng - thiết bị khoa
học, đã cùng nhau hợp tác thực hiện đề tài Nghị định thư giữa Việt Nam –
Malaysia giai đoạn 2004 – 2006 do GS. TSKH. Đào Khắc An, Viện Khoa học vật
liệu làm chủ nhiệm. Đề tài được nghiệm thu thành công và một số kết quả đã được
đưa ra về khả năng xử lý diệt khuẩn của vật liệu quang xúc tác TiO2 anatase, như
một số dạng sản phẩm màng lọc dùng để xử lý môi trường sử dụng TiO2 trên đề
vải cacbon, trên đế gốm xứ, bông thủy tinh và nhất là hai loại máy xử lý khơng
khí ơ nhiễm ở dạng chế tạo thử nghiệm đơn chiếc cũng đã được đưa ra quảng bá
trong hội chợ cơng nghệ. Ngồi ra Viện Khoa học và công nghệ Việt Nam, chúng
tôi được biết, một số nhóm nghiên cứu ở Đại học Khoa học tự nhiên, Đại học
Quốc gia Hà Nội, và ở miền Nam cũng có một số cơ sở nghiên cứu về vật liệu
TiO2 anatasse và ứng dụng, như trường Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh và
các cơ sở nghiên cứu này cũng đã thu được một số kết quả nhất định ở các khía
cạnh khác nhau.
Gần đây, Viện Cơng nghệ môi trường phối kết hợp với Viện Vật lý Ứng
dụng thiết bị khoa học cũng đã nghiên cứu tiếp nối một số vấn đề và đã chế tạo
thành công một số sản phẩm khoa học mới có sử dụng vật liệu nano TiO2 như: Bộ
14


lọc chủ động quang xúc tác sử dụng TiO2 phủ trên vật liệu bông thạch anh và
TiO2 phủ trên sợi Al2O3 trong thiết bị làm sạch khơng khí; Sơn TiO2/Apatite diệt
khuẩn... Đây là kết quả nghiên cứu của đề tài “Nghiên cứu xử lý ơ nhiễm khơng
khí bằng vật liệu sơn nano TiO2/Apatite, TiO2/Al2O3 và TiO2/bông thạch anh”
do TS. Nguyễn Thị Huệ, Viện Công nghệ môi trường làm chủ nhiệm. Đề tài được
thực hiện trong hai năm 2009-2010 .
Công nghệ vật liệu mới nano TiO2 dễ áp dụng, dễ phổ cập có thể xử lý mơi
trường khơng khí bị ơ nhiễm, diệt khuẩn, làm sạch bề mặt nhiều loại vật liệu như
kính . Sơn của các ngơi nhà cao tầng…. sẽ góp phần quan trọng để bảo vệ sức

khỏe của cộng đồng và nhiều ích lợi cho phát triển kinh tế -xã hội .
2. Tổng quan về Fe và ứng dụng nano Fe trong xử lý HCHC chứa clo
2.1 Sắt
- Cấu hình e ngun tử: 26Fe: 1s22s22p63s23p63d64s2.
- Vị trí: Fe thuộc ơ 26, chu kì 4, nhóm VIIIB.
- Cấu hình e của các ion được tạo thành từ Fe:
Fe2+

1s22s22p63s23p63d6

Fe3+

1s22s22p63s23p63d5

Tính chất vật lí
- Màu trắng hơi xám, dẻo, dễ rèn, dễ dát mỏng, kéo sợi; dẫn nhiệt và dẫn
điện kém đồng và nhơm.
- Sắt có tính nhiễm từ nhưng ở nhiệt độ cao (800 0C) sắt mất từ tính. T0nc =
15400C.
Trạng thái tự nhiên
Là kim loại phổ biến sau nhôm, tồn tại chủ yếu ở các dạng:
- Hợp chất: oxit, sunfua, silicat...
- Quặng: hematit đỏ (Fe2O3 khan), hematit nâu (Fe2O3.nH2O), manhetit
(Fe3O4), xiđerit (FeCO3) và pirit (FeS2).
Tính chất hóa học

15


Fe là chất khử trung bình. Trong các phản ứng, Fe có thể nhường 2 hoặc

3e:
Fe → Fe3+ + 3e
Fe → Fe2+ + 2e
1. Tác dụng với các phi kim
Sắt tác dụng với hầu hết các phi kim khi đun nóng:
- Với halogen → muối sắt (III) halogenua (trừ iot tạo muối sắt II):
2. Tác dụng với nước
- Fe không tác dụng với nước ở nhiệt độ thường, ở nhiệt độ cao, sắt phản
ứng mạnh với hơi nước:
3. Tác dụng với dung dịch axit
a. Với H+ (HCl, H2SO4 loãng... ) → muối sắt (II) + H2
b. Tác dụng với các axit có tính oxi hóa mạnh (HNO3, H2SO4 đậm đặc)
- Fe thụ động với H2SO4 đặc nguội và HNO3 đặc nguội → có thể dùng
thùng Fe chuyên chở axit HNO3 đặc nguội và H2SO4 đặc nguội.
- Với dung dịch HNO3 loãng → muối sắt (III) + NO + H2O:
- Với dung dịch HNO3 đậm đặc → muối sắt (III) + NO2 + H2O:
- Với dung dịch H2SO4 đậm đặc và nóng → muối sắt (III) + H2O + SO2:
Chú ý: Sản phẩm sinh ra trong phản ứng của Fe với HNO3 hoặc H2SO4 đậm
đặc là muối sắt (III) nhưng nếu sau phản ứng có Fe dư hoặc có Cu thì tiếp tục xảy
ra phản ứng:
2Fe3+ + Fe → 3Fe3+
Hoặc
2Fe3+ + Cu → 2Fe2+ + Cu2+

16


4. Tác dụng với dung dịch muối
- Fe đẩy được những kim loại yếu hơn ra khỏi muối → muối sắt (II) + kim
loại.

- Fe tham gia phản ứng với muối Fe3+ → muối sắt (II):
2.2 Ứng dụng của nano Fe trong xử lí HCHC
Mơi trường bị ơ nhiễm khơng chỉ là các kim loại nặng mà còn nhiều chất
hữu cơ độc hại khác nữa. Nhiều biện pháp xử lý môi trường đã được áp dụng
nhưng hiệu quả vẫn chưa được như mong muốn . Một loại “thần dược vạn năng”
sản phẩm của công nghệ nano là các hạt sắt hóa trị 0 có kích thước nanomet đang
được phát triển như là một biện pháp xử lý nhanh, hiệu quả, để làm sạch các
chất độc hại với môi trường sinh thái. Theo các nhà nghiên cứu, sự kết hợp tài
tình giữa công nghệ cao và ngành công nghiệp nặng sẽ giải quyết vấn đề chất thải
độc hại ở quy mô lớn bằng các giếng phun hạt nanơ sắt có khả năng phản ứng
mạnh. Chất thải ở dạng bùn đặc sẽ được làm mất độc tính, đồng thời được “cố
định” tại địa điểm ô nhiễm . Phương pháp này, ngược lại với các phương pháp
của các tổ chức như: dự án Superfund đã tiêu tốn hàng nghìn tỷ đơ la của Cơ quan
Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ, làm sạch các địa điểm ô nhiễm đất và nước ngầm
bằng cách xử lý chúng với các chất trung hòa đặc hiệu. Nhưng hiện nay, các nhà
khoa học đang hợp tác với các hãng dược phẩm lớn, các hãng chế tạo vật liệu bán
dẫn và nhiều hãng khác quan tâm đến quy trình làm sạch địa điểm ô nhiễm . Khả
năng làm sạch của sắt là yếu tố quyết định của quy trình, nhờ đặc tính có thể oxy
hóa khơng chỉ lớp gỉ oxit sắt màu đỏ gạch quen thuộc, mà cả các oxyt sắt kim loại
khi có các chất ơ nhiễm như tricloroethen, cacbon tetraclorua, đioxin, hoặc PCB
(diphenyl polyclo) … các phân tử hữu cơ này tham gia vào phản ứng và bị phân
hủy thành các hợp chất cacbon đơn giản. Các hãng quan tâm đến mơi trường đã
thực hiện quy trình tiền xử lý phế thải công nghiệp với dạng vật liệu bột sắt thô
để làm sạch phế thải trước khi thải vào mơi trường . Sắt cũng có nhiều trong mơi
trường đá, đất, nước và khơng có tác động độc hại . Tuy nhiên, các hạt nanơ sắt
có thể tồn tại lơ lửng trong bùn thải, có thể bơm thẳng vào trung tâm địa điểm ô
17