Tổng hợp vật liệu hấp phụ novolac – nano từ tính, Đánh giá khả năng hấp phụ ion kim loại cr(vi) và Ứng dụng xử lý nước thải xi mạ

iv LỜI CAM ĐOAN Nhóm chúng em xin cam đoan khóa luận với đề tài “Tổng hợp vật liệu hấp phụ novolac – nano từ tính, đánh giá khả năng hấp phụ ion kim loại CrVI và ứng dụng xử lý nước thả

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ VÀ QUẢN LÝ MÔI TRƯỜNG

-o0o -

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

TỔNG HỢP VẬT LIỆU HẤP PHỤ NOVOLAC – NANO TỪ TÍNH, ĐÁNH GIÁ

KHẢ NĂNG HẤP PHỤ ION KIM LOẠI CR(VI) VÀ

ỨNG DỤNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI XI MẠ

Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ KĨ THUẬT MÔI TRƯỜNG

Mã chuyên ngành: 7510406

GVHD: Th.S Trần Thị Hiền SVTH: Đỗ Thị Thủy Nhung MSSV: 20001621 Khóa: 16

Tp.Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2024

Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn đến:

Cô Th.S Trần Thị Hiền đã tận tình giúp đỡ và tạo điều kiện cho chúng em hoàn thành bài khóa luận Cô đã dành giời gian quý báu của mình để hướng dẫn và truyền đạt những kinh nghiệm để chúng em có thể đưa ra những ý tưởng tốt nhất hoàn thiện đề tài Chỉ ra cho chúng em những điểm còn thiếu sót, hạn chế để em có thể khắc phục và hoàn thiện sản phẩm

Nhà trường cùng các thầy cô trong Viện Khoa học Công nghệ và Quản lý Môi trường

đã tạo điều kiện, hỗ trợ cơ sở, vật chất giúp chúng em hoàn thành đồ án tốt nghiệp Gia đình đã tạo điều kiện học tập và luôn là chỗ dựa vững chắc

Bạn bè đã cùng nhau trau đổi kiến thức, thảo luận, truyền đạt kinh nghiệm trong quá trình thực hiện đề tài

Trong quá trình thực hiện đề tài khóa luận này do hiểu biết còn chế nên bài làm khó tránh khỏi sai sót Chúng em rất mong nhận được những lời góp ý của thầy cô để đề tài chúng em được hoàn thiện hơn và tiếp thu được nhiều kiến thức mới hơn Xin kính chúc quý thầy cô và các bạn có nhiều sức khỏe, may mắn và thành công trong cuộc sống Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn!

ii

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Tp.HCM, ngày… tháng 12 năm 2024 Giáo viên hướng dẫn

iii

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Tp.HCM, ngày… tháng 12 năm 2024

Giáo viên phản biện

iv

LỜI CAM ĐOAN

Nhóm chúng em xin cam đoan khóa luận với đề tài “Tổng hợp vật liệu hấp phụ novolac – nano từ tính, đánh giá khả năng hấp phụ ion kim loại Cr(VI) và ứng dụng xử

lý nước thải xi mạ.” hoàn toàn do nhóm chúng em nghiên cứu và thực hiện Đề tài là một sản phẩm mà nhóm chúng em đã cố gắng hết sức thực hiện nghiên cứu trong quá trình học tập tại trường Đại học Công Nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh Trong quá trình thực hiện nhóm chúng em có tham khảo một số tài liệu có nguồn gốc rõ ràng, dưới sự hướng dẫn trực tiếp của giáo viên hướng dẫn Th.S Trần Thị Hiền Các số liệu, kết quả trong khóa luận là trung thực Kết quả và số liệu trong đề tài chưa được công bố trong bất cứ nghiên cứu nào khác Nhóm chúng em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước lời cam đoan của mình

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Tp.HCM, ngày… tháng 12 năm 2024

Sinh viên

v

TÓM TẮT

Mục tiêu: Nghiên cứu này nhằm phát triển vật liệu hấp phụ novolac – nano từ tính, đánh giá khả năng loại bỏ ion kim loại Cr(VI) trong nước thải xi mạ Phân tích tiềm năng tái sử dụng của vật liệu hấp phụ nhằm giảm đi nguồn ô nhiễm thứ cấp cho môi trường

Phương pháp: Vật liệu được tổng hợp từ dầu vỏ hạt điều kết hợp với hạt nano từ tính, sau đó được làm giàu –OH trên bề mặt để tăng độ bền của vật liệu hấp phụ Các thí nghiệm hấp phụ được thiết kế để tối ưu hóa các yếu tố ảnh hưởng như pH, thời gian tiếp xúc, nồng độ ban đầu của chất bị hấp phụ và liều lượng vật liệu hấp phụ

Kết quả: Vật liệu novolac–nano từ tính thể hiện hiệu suất hấp phụ vượt trội đối với ion Cr(VI) với những điều kiện tối ưu nhất Vật liệu có khả năng tái sử dụng hiệu quả thông qua quá trình giải hấp và không tạo ra các chất ô nhiễm thứ cấp

Kết luận: Vật liệu hấp phụ novolac – nano từ tính là một giải pháp tiềm năng để xử

lý nước thải công nghiệp chứa kim loại nặng, vừa hiệu quả vừa thân thiện với môi trường, đồng thời có khả năng ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực xử lý nước

vi

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ii

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN iii

LỜI CAM ĐOAN iv

TÓM TẮT v

MỤC LỤC vi

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT x

DANH MỤC HÌNH ẢNH xi

DANH MỤC BẢNG BIỂU xiii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 5

1.1 Hấp phụ và vật liệu hấp phụ 5

1.1.1 Khái niệm hấp phụ 5

1.1.2 Các phương pháp hấp phụ 5

1.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ 6

1.1.4 Các loại vật liệu hấp phụ 6

1.2 Giới thiệu về Crom 8

1.2.1 Tổng quan 8

1.2.2 Quy chuẩn Việt nam về Crom trong nước thải công nghiệp 11

1.3 Vật liệu nano từ tính 12

1.3.1 Tổng quan 12

1.3.2 Độ từ thẩm 14

1.3.3 Đường cong từ trễ 14

1.3.1 Từ độ bão hòa 15

1.3.2 Từ dư 15

vii

1.3.3 Lực kháng từ 15

1.3.4 Nhiệt độ Néel 15

1.4 Tổng quan về vật liệu cobalt spinel ferrite CoFe 2 O 4 15

1.4.1 Các phương pháp tổng hợp CoFe 2 O 4 16

1.4.2 Ứng dụng của vật liệu CoFe 2 O 4 17

1.5 Vật liệu nanocomposite 17

1.5.1 Khái niệm composite 17

1.5.2 Phân loại vật liệu composite 18

1.6 Dầu vỏ hạt điều 20

1.6.1 Tổng quan về trữ lượng điều 20

1.6.2 Quy trình sản xuất dầu vỏ hạt điều 22

CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 23

2.1 Hóa chất, dụng cụ, thiết bị 23

2.1.1 Hóa chất 23

2.1.2 Dụng cụ và thiết bị 23

2.2 Tổng hợp vật liệu nano từ tính CoFe 2 O 4 và làm giàu – OH trên bề mặt 24

2.2.1 Tổng hợp vật liệu hạt nano từ tính CoFe 2 O 4 24

2.2.2 Làm giàu – OH trên bề mặt 26

2.3 Tổng hợp Phenol formaldehyde từ dầu vỏ hạt điều 27

2.4 Tổng hợp Novolac – Nano composite 28

2.5 Phương pháp phân tích 29

2.5.1 Phương pháp nhiễm xạ tia X (XRD) 29

2.5.2 Phương pháp phổ hồng ngoại biến đổi Fourie (FT-IR) 30

2.5.3 Phương pháp kính hiển vi quét điện tử ( SEM,TEM) 30

2.6 Ứng dụng Navolac – nano từ tính xử lý nước thải chứa ion kim loại nặng 31

viii

2.6.1 Pha hóa chất 31

2.6.2 Dựng đường chuẩn 31

2.6.3 Khảo sát ảnh hưởng của pH dung dịch đến hiệu quả hấp phụ Cr(VI) của VLHP 32

2.6.4 Khảo sát ảnh hưởng thời gian hấp phụ đến hiệu suất hấp phụ Cr(VI) của VLHP 32

2.6.5 Khảo sát nồng độ VLHP đến hiệu suất hấp phụ Cr (VI) của VLHP 32 2.6.6 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đầu chất bị hấp phụ đến hiệu suất hấp phụ Cr (VI) của VLHP 33

2.6.7 Khảo sát khả năng thu hồi tái sử dụng navolac – nano từ tính 33

2.6.8 Đánh giá hiệu quả hấp phụ của vật liệu hấp phụ trên mẫu nươc thải xi mạ thực tế 34

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 35

3.1 Kết quả phân tích đặc điểm bề mặt, tính chất vật lý của vật liệu hấp phụ 35

3.1.1 Kết quả đo SEM của vật liệu 35

3.1.2 Kết quả đo nhiễm xạ tia X (XRD) của vật liệu 36

3.1.3 Kết quả đo phổ hồng ngoại của vật liệu hấp phụ (FT-IR) của vật liệu 38

3.1.4 Kết quả đo VSM của vật liệu 39

3.2 Ứng dụng 40

3.2.1 Dựng đường chuẩn 40

3.2.2 Khảo sát ảnh hưởng của pH dung dịch đến đến hiệu quả hấp phụ Cr(VI) của VLHP 42

3.2.3 Khảo sát thời gian tiếp xúc (thời gian hấp phụ) đến hiệu quả hấp phụ Cr(VI) của VLHP 44 3.2.4 Khảo sát nồng độ vật liệu hấp phụ đến hiệu quả hấp phụ Cr(VI) của VLHP 45

ix

3.2.5 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đầu chất bị hấp phụ đến hiệu quả

hấp phụ Cr(VI) của VLHP 47

3.2.6 Khảo sát khả năng thu hồi tái sử dụng novolac- nanocomposite 48

3.2.7 Đánh giá hiệu suất hấp phụ trên nước thải xi mạ thực tế 49

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 52

4.1 Kết luận 52

4.2 Kiến nghị 52

TÀI LIỆU THAM KHẢO 53

PHỤ LỤC I 57

PHỤ LỤC II 60

x

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

of Agriculture)

quét)

truyền qua)

xi

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Chất hấp phụ 5

Hình 1.2 Một số vật liệu hấp phụ a) zeolit tự nhiên, b) diatomite, 7

Hình 1.3 Crom 8

Hình 1.4 Hình minh họa các domain từ [27] 12

Hình 1.5 Định hướng các moment từ của paramagnetic (a), ferromagnetic (b), antiferromagnetic (c), ferrimagnetic (d) [13] 13

Hình 1.6 Đường cong tư trễ và trạng thái của moment từ [28] 14

Hình 1.7 Cấu trúc cobalt spinel ferrite 16

Hình 1.8 a) quả điều b) vỏ hạt điều c) dầu vỏ hạt điều 20

Hình 1.9 (a) Cardol, (b) Anacardic acid, (c) Cardanol (R=25-31) 21

Hình 2.1 Quy trình tổng hợp vật liệu hạt nano từ tính CoFe 2 O 4 24

Hình 2.2 Hình ảnh quá trình tổng hợp CoFe 2 O 4 25

Hình 2.3 Quy trình làm giàu -OH nano từ tính 26

Hình 2.4 Quy trình tổng hợp phenol formaldehyde từ dầu vỏ hạt điều 27

Hình 2.5 Quy trình tổng hợp Novolac – nano từ tính 28

Hình 2.6 Vật liệu tổng hợp Navolac – nano từ tính 29

Hình 3.1 a) Ảnh chụp kính hiển vi điện tử quét (SEM) của hạt nano từ tính CoFe 2 O 4 b) CoFe 2 O 4 đã làm 35

Hình 3.2 Kết quả SEM của Novolac - Nanocomposite 36

Hình 3.3 a) Kết quả nhiễu xạ tia X của CoFe 2 O 4 b) CoFe 2 O 4 đã làm giàu OH 36

Hình 3.4 Kết quả nhiễm xạ tia X (XRD) của Novolac-nanocomposite 37

Hình 3.5 Phổ hồng ngoại của a) CoFe 2 O 4 b) CoFe 2 O 4 đã làm giàu –OH c) Novolac – nanocomposite 38

Hình 3.6 Đường cong từ trễ của CoFe 2 O 4 và novolac- nano composite 40

Hình 3.7 Bước sóng cực đại của ion Crom (IV) 40ppm 41

Hình 3.8 Mối tương quan giữa nồng độ ion Crom(VI) và mật độ quang A 42

Hình 3.9 Đồ thị khảo sát ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý ion Crom(VI) 43

Hình 3.10 Đồ thị khảo sát ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý ion Crom(VI) 43

Hình 3.11 Đồ thị khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất hấp phụ 44

Hình 3.12 Đồ thị khảo sát ảnh hưởng của thời gian lắc đến dung lượng hấp phụ 45

xii

Hình 3.13 Đồ thị khảo sát ảnh hưởng của khối lượng vật liệu hấp phụ novolac- nanocomposite đến hiệu suất xử lý ion kim loại Crom (VI) 46 Hình 3.14 Đồ thị khảo sát ảnh hưởng của nồng độ vật liệu hấp phụ đến dung lượng hấp phụ 47 Hình 3.15 Đồ thị khảo sát ảnh hưởng của nồng độ chất bị hấp phụ novolac- nanocomposite đến hiệu suất xử lý ion kim loại Crom(VI) 47 Hình 3.16 Đồ thị khảo sát ảnh hưởng của nồng độ chất đầu bị hấp phụ đến dung lượng hấp phụ 48 Hình 3.17 Khả năng tái hấp phụ Cr(VI) qua 2 chu kỳ hấp phụ của novolac – nanocomposite Điều kiện thí nghiệm: Ph=2, nồng độ Cr(VI)= 10mg/l, liều lượng VLHP=1g/l, nhiệt độ phòng, dung lượng giải hấp phụ EDTA=0.01M 49 Hình 3.18 So sánh hiệu suất hấp phụ Cr(VI) giữa mẫu giả thải và mẫu nước thải xi mạ thực tế 50

xiii

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Hàm lượng Crom trong cơ thể người 9

Bảng 1.2 Giá trị giới hạn nồng độ của Cr(VI) trong nước thải công nghiệp 11

Bảng 2.1 Các thiết bị sử dụng trong đề tài 23

Bảng 3.1 Bảng thông số từ tính của vật liệu hấp phụ 40

Bảng 3.2 Thông số xác định bước sóng cực đại 40

Bảng 3.3 Kết quả đo quang dựng đường chuẩn 41

Bảng 3.4 Bảng ảnh hưởng của các ion kim loại khác đối với khả năng hấp phụ Cr(VI) trên mẫu nước thải xi mạ thực tế 50

Zn, Cr và Cu) vào nguồn nước mặt, có thể gây ra những tác động nghiêm trọng đến sức khỏe của con người (như viêm loét da, viêm đường hô hấp, phù thận, ung thư, ) và hệ sinh thái Tính chất nước thải xi mạ phụ thuộc vào loại hình sản xuất, dây chuyền công nghệ, thành phần nguyên liệu… nước thải ngành xi mạ phát sinh không lớn, nồng độ các chất hữu cơ thấp và pH biến đổi rộng từ thấp (pH= 2-3) đến rất cao (pH= 10-11) nhưng chứa các chất độc hại khác nhau bao gồm cả xyanua, kiềm, hóa chất tẩy rửa, dung môi tẩy dầu mỡ, dầu mỡ và kim loại nặng Các chất gây ô nhiễm chính trong nước là các ion kim loại nặng và các chất hữu cơ polymer khó phân hủy sinh học [1] Do đó, việc tìm kiếm phương án xử lý mới nhằm xử lý nước thải xi mạ là điều rất cần thiết, làm giảm nồng độ các ion kim loại nặng trong nước thải xi mạ xuống dưới ngưỡng cho phép trước khi thải ra môi trường

Crom (Cr) là một trong những chất thải công nghiệp chính được tạo ra từ ngành công nghiệp như xi mạ, quá trình sản xuất kim loại, xử lý bề mặt kim loại, dệt may, da giày, các ngành công nghiệp khác gây ra ô nhiễm nguồn nước, ô nhiễm đất, không khí có tác động đối với sức khỏe con người và các sinh vật khác Nồng độ Crom trong các dòng thải này thông thường ở ngưỡng < 15 mg/L, nhưng theo quy định của Bộ Tài nguyên và Môi trường Việt Nam thì nồng độ Crom tổng không vượt quá 0.5 mg/L Tuy nhiên, trong quá trình xử lý dư lượng của chúng đã gây ô nhiễm trực tiếp hoặc gián tiếp qua chất ô nhiễm thứ cấp đến môi trường tiếp nhận [2] Ngoài ra ô nhiễm thứ cấp còn làm thay đổi tính chất vật lý, hóa học, sinh học của hệ sinh thái của nước ta theo chiều hướng xấu đi và đây là là thực trạng cần thiết cần có giải pháp thay đổi vật liệu trong quá trình vận hành từ đó cải thiện chất lượng môi trường tiếp nhận [3].Trong các nghiên cứu đã chỉ ra rằng ngành công nghiệp và gia công kim loại một mặt thải ra lượng lớn kim loại nặng, trong đó có Crom (Cr), Niken (Ni), Kẽm ion (Zn) và một số vấn nạn lớn gây ảnh hưởng đến sức khỏe con người và đời sống thủy sinh Bên cạnh tác hại của Crom, Niken gây dụ ứng da, dễ gây tổn thương cho hệ hô hấp, hệ thần kinh cũng như màng nhầy tế bào

2

Để bảo vệ cộng đồng, Crom phải được loại bỏ khỏi nước thải công nghiệp trước khi thải ra môi trường Một số phương pháp xử lý các kim loại nặng nói chung và Crom nói riêng trong nước thải được sử dụng ngày nay là phương pháp khử, hấp phụ, trao đổi ion, phương pháp điện hóa và phương pháp sinh học Nhìn chung mỗi phương pháp đều có

ưu và nhược điểm riêng, tuy nhiên phương pháp hấp phụ có tính ưu việt hơn so với các phương pháp còn lại do không hoặc ít để lại chất ô nhiễm thứ cấp, thu gom và kiểm soát hoàn toàn được chất thải, công nghệ không qua phức tạp, chi phí đầu tư và vận hành không quá cao, không yêu cầu trình độ kỹ thuật như các phương pháp còn lại [4] Gần đây, các hạt nano kim loại đã thu hút được nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu do đặc tính bề mặt nổi bật của chúng (diện tích bề mặt riêng lớn và có nhiều vị trí phản ứng trên bề mặt đã góp phần trong hiệu suất loại bỏ vượt trội đối với kim loại nặng Chính vì vậy, sau khi thấy những tiềm năng và hiệu quả của vật liệu nano kim loại từ

tính mang lại, nhóm chúng em xin đề xuất “Tổng hợp vật liệu hấp phụ novolac –

nano từ tính, đánh giá khả năng hấp phụ ion kim loại Cr(VI) và ứng dụng xử lý nước thải xi mạ”

Nhiều nghiên cứu trên thế giới đã ứng dụng các hạt nano từ tính để xử lý ion kim loại nặng trong nước thải Chẳng hạn, Alexender E và cộng sự (2018) đã tổng hợp các hạt nano từ tính bằng phương pháp hấp phụ nhằm hấp phụ và loại bỏ Cu và Cr trong nước thải công nghiệp tại Indonessia Sự hiện diện của kim loại nặng trong nước hoặc nước thải có thể gây ra các vấn đề môi trường nghiêm trọng, đe dọa cuộc sống của tất cả các sinh vật do tính không phân hủy sinh học, tích lũy sinh học và độc tính cao [4]

Tại Việt Nam cũng đã có nhiều công trình nghiên cứu ứng dụng vật liệu nano trong

xử lý các ion kim loại nặng như “Nghiên cứu của TS Nguyễn Hữu Hiếu đã ứng dụng Fe₃O₄/GO để hấp phụ Pb(II) và As(V), đạt hiệu quả cao nhờ tính chất từ tính và diện tích bề mặt lớn của vật liệu” hay “TS Lữ Thị Mộng Thy đã nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano oxit kim loại trên cơ sở graphene oxit để loại bỏ các ion kim loại nặng như chì, niken, và mangan khỏi nước thải Vật liệu này không chỉ có khả năng hấp phụ tốt

mà còn dễ tái sử dụng, giảm thiểu chi phí vận hành” Tuy nhiên các nghiên cứu ứng dụng các vật liệu nano có từ tính trong xử lý môi trường nước còn tương đối ít [5] [6]

Có thể thấy đã có nhiều tác giả trong và ngoài nước nghiên cứu tổng hợp các hạt nano

từ tính để xử lý các chất ô nhiễm trong môi trường nước Tuy nhiên việc biến tính hạt nano từ tính để tạo thành VLHP có từ tính và dung lượng hấp phụ cao hơn, ứng dụng

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

nước thải xi mạ

Quản lý Môi trường – Trường Đại học Công Nghiệp thành phố Hồ Chí Minh

11/2024 Thực hiện tại phòng thí nghiệm X9.05, Viện Khoa học Công nghệ và Quản lý Môi trường, trường Đại học Công Nghiệp Tp.HCM

4 Nội dung nghiên cứu

Nghiên cứu bao gồm những nội dung sau:

- Nội dung 1: Nghiên cứu tổng hợp và đề xuất quy trình công nghệ tổng hợp vật liệu hấp phụ từ vật liệu tổ hợp novolac – nano từ tính

- Nội dung 2: Phân tích các đặc tính của vật liệu hấp phụ tổng hợp được, bao gồm xác định các nhóm chức hoạt động hoặc liên kết hóa học; quan sát hình thái của vật liệu hấp phụ và đo diện tích bề mặt vật liệu

- Nội dung 3: Khảo sát các điều kiện hấp phụ tối ưu, bao gồm pH, liều lượng vật

vật liệu hấp phụ tổng hợp được

4

- Nội dung 4: Khảo sát, đánh giá khả năng tái sử dụng và thu hồi vật liệu hấp phụ bằng cách sử dụng các dung dịch giải hấp phụ thông thường và từ trường bên ngoài

- Nội dung 5: Đánh giá hiệu quả hấp phụ của vật liệu hấp phụ tổng hợp được trong hấp phụ Cr(VI) trong mẫu nước giả và mẫu nước thải xi mạ thực tế

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

❖ Ý nghĩa khoa học

Chủ đề nghiên cứu của đề tài là một hướng nghiên cứu khoa học ứng dụng trong lĩnh vực hóa vật liệu – môi trường, ứng dụng hạt nano từ tính được biến tính để hấp phụ ion kim loại nặng trong nước thải Kết quả nghiên cứu là cơ sở khoa học định hướng cho các nghiên cứu cải thiện chất lượng môi trường nước thải xi mạ kẽm, niken, crom,… trong thời tới Bên cạnh đó hướng đi mới là tạo vật liệu sinh học thân thiện môi trường

có thể thu hồi khi sử dụng và tái sử dụng là hướng nghiên cứu trong cải thiện chất lượng môi trường nước trong tương lai

❖ Ý nghĩa thực tiễn

Đề tài nghiên cứu hướng đến việc sử dụng chất hấp phụ được tổng hợp từ vật liệu

phần làm giảm lượng ion kim loại nặng phát tán ra môi trường nước và góp phần giảm

Ngoài ra, quy trình chế tạo vật liệu hấp phụ novolac – nano từ tính được đề xuất trong

đề tài là ít tốn kém, ít độc hại và không tạo ra chất ô nhiễm thứ cấp tác động đến môi trường

số trường hợp, chất bị hấp phụ có thể đi xuyên qua bề mặt và đi vào thể tích của chất hấp phụ, hiện tượng này gọi là sự hấp thụ Ngược với sự hấp phụ, quá trình đi ra của chất bị hấp phụ khỏi lớp bề mặt được gọi là sự giải hấp phụ [7, 8]

Hình 1.1 Chất hấp phụ

Hấp phụ vật lý: gây ra bởi lực tương tác Vanderwaals giữa phân tử bị hấp phụ và chất hấp phụ Lực liên kết này yếu dễ bị phá vỡ Quá trình hấp phụ vật lý là 1 quá trình thuận nghịch

Hấp phụ hóa học: gây ra bởi các lực liên kết hóa học giữa phân tử chất bị hấp phụ với phân tử chất hấp phụ Lực liên kết này bền, khó mà bị phá vỡ [9]

Trong thực tế phân biệt hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học chỉ tương đối Trong một

số hệ thống phụ, sự hấp phụ xảy ra đồng thời cả hai quá trình hấp phụ vật lí và hấp phụ hóa học [10]

1.1.2 Các phương pháp hấp phụ

Phương pháp hấp phụ được xem là phương pháp tối ưu nhất Sử dụng phương pháp này có thể xử lý triệt để, loại bỏ hầu hết các chất vô cơ và hữu cơ, màu sắc, mùi vị, không để lại ô nhiễm phụ sau khi xử lý, thu gom và kiểm soát được hoàn toàn chất thải

6

Tuy nhiên, điều này cũng còn phụ thuộc vào khả năng hấp phụ sử dụng và kinh phí cho trong điều kiện cho phép [11]

Xử lý nước thải bằng phương pháp hấp phụ với vật liệu có nguồn gốc tự nhiên (biomass)

đã được nghiên cứu ứng dụng ở nhiều quốc gia trên thế giới Phương pháp này thực chất

là kỹ thuật hấp phụ sử dụng vật liệu có nguồn gốc biomass làm lớp đệm Mặc dù còn nhiều ý kiến khác nhau, nhưng cơ chế của quá trình hấp phụ có thể phân thành 2 loại: hấp phụ do tương tác tĩnh điện và hấp phụ nội tại [8, 9]

1.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ

a Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc

Hiệu suất hấp phụ kim loại nặng sẽ thay đổi theo thời gian tiếp xúc Theo đó, hiệu suất hấp phụ càng cao khi thời gian tiếp xúc càng lâu Tuy nhiên khi hấp phụ đã đạt đến

trạng thái cân bằng thì hiệu suất hấp phụ sẽ chậm lại và có xu hướng giải hấp [12] [13]

b Ảnh hưởng của pH

Quá trình hấp phụ bị ảnh hưởng rất nhiều bởi pH của môi trường Sự thay đổi pH của môi trường dẫn đến sự thay đổi về bản chất của chất bị hấp phụ, các nhóm chức bề mặt, thế oxy hóa khử, dạng tồn tại của hợp chất đó, nhất là đối với các hợp chất có độ phân

cực cao, có tính lưỡng tính hoặc tính axit yếu, bazơ yếu [12] [13]

c Ảnh hưởng của nồng độ kim loại nặng ban đầu

Ở nồng độ dung dịch ban đầu thấp, diện tích bề mặt và các vị trí hấp phụ khả dụng tương đối cao, do đó các ion kim loại sẽ dễ dàng bị hấp phụ và loại bỏ Ở nồng độ dung dịch ban đầu cao hơn, tổng số vị trí hấp phụ khả dụng bị hạn chế, do đó dẫn đến giảm

hiệu quả loại bỏ ion kim loại nặng [14]

d Ảnh hưởng của nhiệt độ

Về lý thuyết, hiệu suất hấp phụ sẽ giảm khi nhiệt độ dung dịch tăng Tuy nhiên đối với những cấu tử tan hạn chế, khi nhiệt độ tăng sẽ làm tăng độ tan và làm cho nhiệt độ của nó trong dung dịch tăng lên, từ đó làm cho hiệu suất hấp phụ tăng theo [14]

1.1.4 Các loại vật liệu hấp phụ

Vật liệu hấp phụ có thể là những chất có nguồn gốc tự nhiên như zeolite tự nhiên,

hoặc nguồn gốc nhân tạo như than hoạt tính, zeolite, nhôm oxide, silicagel hay các polymer đặc thù [14] Thành phần chính của các loại chất hấp phụ là các oxit kim

7

loại, oxit silic hay hỗn hợp giữa chúng, trừ trường hợp than hoạt tính thành phần của

nó chủ yếu là cacbon Các chất rắn xốp được đặc trưng bởi độ xốp và sự phân bố độ

xốp theo kích thước Độ xốp là thể tích không gian rỗng trong hạt chất hấp phụ so với

toàn bộ thể tích hạt Độ xốp của hạt được hình thành bởi hệ mao quản, chúng được

chia làm ba loại chính: loại mao quản nhỏ có đường kính < 20 Å, loại trung bình có

đường kính từ 20-500 Å và loại lớn có đường kính > 500 Å Diện tích bề mặt riêng

của loại chất chứa mao quản nhỏ là lớn nhất, của mao quản lớn là nhỏ nhất [15]

Hình 1.2 Một số vật liệu hấp phụ a) zeolit tự nhiên, b) diatomite,

c) silicagel d) than hoạt tính

8

1.2 Giới thiệu về Crom

1.2.1 Tổng quan

a Nguồn gốc và phân bố Crom

Crom là một nguyên tố tương đối phổ biến trong thiên nhiên Trong vỏ trái đất, Crom chiếm 6.10 - 3% tổng số nguyên tử (phong phú thứ 21 trên trái đất) Tên gọi Crom (chrome) xuất phát từ tiếng Hi Lạp, chrome nghĩa là “màu sắc” vì các hợp chất của Crom đều có màu Crom là một kim loại cứng, mặt bóng, màu xám thép với độ bóng cao và nhiệt độ nóng chảy cao Nó là chất không mùi, không vị và dễ rèn [16]

thấy trong môi trường do sự xói mòn của Crom và trong các loại đá, có thể xuất hiện do núi lửa phun trào Nồng độ trong đất là khoảng từ 1- 3.000 mg/kg, trong nước biển từ 5- 800 µg/l, trong các sông hồ là 26 µg/l đến 5.2 mg/l và trong nước ngầm khoảng 100g/l [17] Có thể dễ dàng ngấm sâu vào trong đất hoặc đưa lên bề mặt nhờ quá trình trao đổi chất của thực vật [18]

Hình 1.3 Crom

của các ngành công nghiệp thuộc da, dệt may, trong nước thải công nghiệp mạ điện và

mạ trang trí

b Ứng dụng Crom trong công nghiệp

Do có tính chất lí hóa đặc biệt như: bền ở nhiệt độ cao, khó oxi hóa, cứng và tạo màu tốt nên Crom được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, đặc biệt trong ngành luyện kim Crom là thành phần có vai trò góp phần tăng độ cứng và chống ăn mòn của hợp kim

9

dưới tác động cơ học hoặc dưới tác động của môi trường Trong công nghiệp thuộc da,

năng chống co ngót ngay cả ở nhiệt độ cao Do có nhiều ứng dụng trong công nghiệp nên trong thành phần nước thải công nghiệp chứa hàm lượng Crom tương đối lớn và ngày càng tăng

c Ảnh hưởng của Crom đối với sức khỏe con người

tính của Crom đối với cơ thể con người phụ thuộc vào trạng thái oxi hóa và nồng độ của

nó Cr(III) là trạng thái ổn định nhất, với hàm lượng thích hợp nó có vai trò như một chất dinh dưỡng thiết yếu giúp cơ thể sử dụng các chất đường, protein và chất béo Người ta đã tìm thấy Cr(III) trong một số bộ phận của con người [19] Sự thiếu hụt nó

có thể sinh ra bệnh gọi là thiếu hụt Crom, tuy nhiên khi vượt quá giới hạn cho phép, cơ thể sẽ nhiễm độc Crom ở mức độ cấp tính hay mãn tính

Bảng 1.1 Hàm lượng Crom trong cơ thể người

Với những tác hại nêu trên, Crom được xếp vào loại chất độc nhóm 1 (có khả năng gây ung thư cho người và vật nuôi) Người ta đưa ra những tiêu chuẩn cho phép hàm lượng an toàn của Cr(VI) và Cr(III) tồn tại trong nước [20]

10

d Tình hình ô nhiễm Crom hiện nay

Nguồn ô nhiễm Crom được xác định bao gồm lượng Crom có sẵn trong tự nhiên và lượng Crom sinh ra trong công nghiệp nồng độ Crom trong đất tăng bắt nguồn từ đất bỏ hoang và các bụi phóng xạ hoặc từ bùn thải công nghiệp Hiện nay các nhà khoa học trong nước và trên thế giới đã đưa ra nhiều công trình nghiên cứu tách loại kim loại nặng

và đặc biệt là Crom trong nước thải công nghiệp với nhiều phương xử lý khác nhau, sau đây là một số phương pháp điển hình

e Các phương pháp xử lý Crom

❖ Phương pháp khử - kết tủa:

Nguyên lý của phương pháp này là thêm vào nước thải các hóa chất để tiến hành các phản ứng oxi hóa – khử, kết tủa để tách các chất độc hại có trong nước thải sau đó lắng, lọc, trung hòa đến tiêu chuẩn cho phép

Ưu điểm: Xử lý nước thải lưu lượng lớn, chi phí thấp, đơn giản, dễ vận hành

Nhược điểm: Chuyển chất thải từ dạng này sang dạng khác, tạo lượng bùn Crom lớn

❖ Phương pháp trao dổi ion:

Phương pháp trao đổi ion: là quá trình trao đổi diễn ra giữa các ion có trong dung dịch và các ion trong pha rắn Khi các vật liệu này đạt trạng thái bão hòa, ta tiến hành tái sinh hoặc thay chúng

Ưu điểm: Nhu cầu năng lượng thấp, không gian xử lý nhỏ thích hợp với xử lý nước thải chứa nhiều ion kim loại đồng thời có khả năng thu hồi các cấu tử có giá trị mà không tạo ra các chất thứ cấp

Hạn chế: Giá thành xử lý cao, yêu cầu vận hành chặt chẽ, tái sinh vật liệu trao đổi

❖ Phương pháp sinh học:

Phương pháp sinh học xử lý kim loại nặng hiện có các phương pháp chính:

Hấp thu sinh học: Cơ sở của phương pháp là sử dụng các sinh vật trong tự nhiên hoặc các loại vật chất có nguồn gốc sinh học có khả năng giữ lại trên bề mặt hoặc thu nhận vào bên trong các tế bào của chúng các kim loại nặng khi đưa chúng vào môi trường

nước thải chứa kim loại nặng

11

Chuyển hóa sinh học: Phương pháp có thể được thực hiện như sau:

Các vi sinh vật sử dụng các enzim trực tiếp chuyển hóa các kim loại nặng ở dạng độc về dạng ít độc hơn hoặc không độc

Chuyển hóa một chất phi kim loại khác về dạng có thể kết hợp với kim loại nặng để tạo

ra chất ít độc hơn hoặc dễ xử lý hơn

Phương pháp xử lý bằng lau sậy: Cơ chế của phương pháp rất phức tạp dựa trên sự tác động đồng thời của bộ rễ, thân cây và hệ sinh thái có trong đất Rễ cây cung cấp oxi cho vi sinh vật sống trong đất hoạt động và phân hủy các hợp chất hữu cơ và một phần

kim lọai nặng

❖ Phương pháp hấp phụ

Các phương pháp liệt kê ở trên đều có thể sử dụng để loại bỏ crom trong nước thải

- Hấp phụ vật lý: xảy ra nhờ lực tương tác giữa các phân tử chất hấp phụ và chất bị hấp phụ

- Hấp phụ hóa học: xảy ra nhờ các liên kết hóa học giữa các phân tử chất hấp phụ và chất bị hấp phụ

1.2.2 Quy chuẩn Việt nam về Crom trong nước thải công nghiệp

QCVN 40:2011/BTNMT quy định nồng độ của Cr (VI) trong nước thải công nghiệp như sau [21]:

Bảng 1.2 Giá trị giới hạn nồng độ của Cr(VI) trong nước thải công nghiệp

Trong đó:

vào các nguồn tiếp nhận là các nguồn nước được sử dụng cho mục đích sinh hoạt

xả vào các nguồn tiếp nhận là các nguồn nước không dùng cho mục đích sinh hoạt

12

1.3 Vật liệu nano từ tính

1.3.1 Tổng quan

loại hóa trị hai, chẳng hạn như Mn, Co, Ni, Zn, Mg, [22] [23] Trong một đại diện tiêu

III [25] Mỗi ô mạng của spinel chứa 8 phân tử Mỗi oxide tồn tại một lỗ trống bát diện

và 2 lỗ trống tứ diện, trong đó kích thước lỗ trống tứ diện nhỏ hơn Các ion hóa trị II thường nằm ở vị trí tứ diện và các ion hóa trị III thường ở vị trí bát diện [25]

Cấu trúc spinel ổn định của hợp chất, và một số có thể được sử dụng như vật liệu chịu lửa cao nhiệt độ, và một số có thể được sử dụng như vật liệu gốm sứ điện tử Trong quá trình hàn, càng có nhiều sẽ tạo ra một hợp chất cấu trúc spinel, các hợp chất của cấu trúc kết hợp với xỉ, xỉ hàn ảnh hưởng đến sức đề kháng [24]

Tùy thuộc vào sự sắp xếp của các cation kim loại, hợp chất spinel có thể là bình thường, hoán vị hoặc một phần hoán vị và sự phân bố ion kim loại này quyết định nên tính chất từ của vật liệu Mức độ hoán vị trong một hợp chất đặc biệt chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như độ lớn của bán kính ion đối với kích thước của đa diện oxy, cấu hình electron của các ion, năng lượng điện của mạng tinh thể và phương pháp chuẩn bị mẫu [26]

Hình 1.4 Hình minh họa các domain từ [27]

13

Tùy theo kích thước, hình dạng mà trên toàn vật liệu có thể bị chia thành nhiều vùng chứa các moment từ hoàn toàn song song với nhau và các vùng này được gọi là các domain từ Trong các domain khác nhau chiều của các moment từ sẽ khác nhau Sự hình thành cấu trúc domain chi phối tính chất từ vi mô của vật liệu Ở trạng thái khử từ, chiều của moment từ trong các domain sắp xếp sao cho thỏa mãn các điều kiện: triệt tiêu từ

độ và cực tiểu hóa năng lượng tổng cộng trong vật liệu từ Khi có từ trường ngoài, cấu trúc domain bị thay đổi như sự lớn lên của các domain từ có chiều cùng chiều với từ trường hoặc sự quay moment từ trong các domain có chiều 24 khác dẫn đến sự thay đổi về tính chất từ Sự biến đổi khác nhau về domain từ trong quá trình từ hóa tạo nên các cơ chế từ hóa và các tính chất từ khác nhau của mỗi loại vật liệu từ [27]

Hình 1.5 Định hướng các moment từ của paramagnetic (a), ferromagnetic (b),

antiferromagnetic (c), ferrimagnetic (d) [13]

❖ Vật liệu từ tính được chia làm 2 nhóm: vật liệu từ cứng và vật liệu từ mềm

Vật liệu từ cứng là vật liệu sắt từ, khó khử từ và khó từ hóa [26] Ý nghĩa của tính từ

"cứng" ở đây chính là thuộc tính khó khử từ và khó bị từ hóa, chứ không xuất phát từ cơ tính của vật liệu từ Các vật liệu từ cứng thương phẩm dùng để chế tạo nam châm vĩnh cửu xuất hiện lần đầu tiên vào những năm từ 1740 đến 1750 ở châu Âu và thực sự phát triển mạnh từ cuối thế kỷ 19 đầu thế kỷ 20 đến nay Lực kháng từ của vật liêu từ cứng

có điều kiện tối thiểu là trên 100 Oe, nhưng vật liệu từ cứng phổ biến thường có lực kháng từ cỡ hàng ngàn Oe trở lên Nguồn gốc của lực kháng từ lớn trong các vật liệu từ cứng chủ yếu liên quan đến đến dị hướng từ tinh thể lớn trong vật liệu Các vật liệu từ cứng thường có cấu trúc tinh thể có tính đối xứng kém hơn so với các vật liệu từ mềm

và chúng có dị hướng từ tinh thể rất lớn [26]

Vật liệu từ mềm hay vật liệu sắt từ mềm (tiếng Anh: Soft magnetic material) là vật liệu sắt từ, "mềm" về phương diện từ hóa và khử từ, có nghĩa là dễ từ hóa và dễ khử từ

14

Vật liệu sắt từ mềm thường được dùng làm vật liệu hoạt động trong trường ngoài, ví dụ như lõi biến thế, lõi nam châm điện, các lõi dẫn từ Lực kháng từ của các vật liệu từ mềm phải nhỏ hơn cỡ 100 Oe Những vật liệu có tính từ mềm tốt, thậm chí có lực kháng

tự từ (sắt từ và feri từ) [28] Độ từ thẩm cực đại là vật liệu sắt từ không những có độ từ thẩm lớn mà còn có độ từ thẩm là một hàm của từ trường ngoài Độ từ thẩm cực đại cũng là một thông số quan trọng, đặc trưng cho tính chất từ của vật liệu

1.3.3 Đường cong từ trễ

Từ trễ (tiếng Anh: magnetic hysteresis) là hiện tượng bất thuận nghịch giữa quá trình

từ hóa và đảo từ ở các vật liệu sắt từ do khả năng giữ lại từ tính của các vật liệu sắt từ Hiện tượng từ trễ là một đặc trưng quan trọng và dễ thấy nhất ở các chất sắt từ [28]

Hình 1.6 Đường cong tư trễ và trạng thái của moment từ [28]

15

Khi từ hóa một vật liệu từ đến một cường độ từ trường bất kỳ, nếu giảm dần cường

độ từ trường và quay lại theo chiều ngược, thì sẽ thu được đường cong từ hóa khác hướng ban đầu Và nếu đảo từ theo một chu trình kín (từ chiều này sang chiều kia), thì

sẽ thu được một đường cong kín gọi là đường cong từ trễ hay chu trình từ trễ

1.3.1 Từ độ bão hòa

Là giá trị từ độ đạt được khi vật được từ hóa đến từ trường lớn hơn giá trị trường dị hướng sao cho vật ở trạng thái bão hòa từ, tức là các moment từ hoàn toàn song song với nhau Khi đó đường cong từ trễ có dạng nằm ngang Đường cong từ trễ và trạng thái của moment từ Từ độ bão hòa là tham số đặc trưng của vật liệu từ Nếu ở 0 K thì đó là giá trị từ độ tự phát của vật liệu từ [28]

1.3.2 Từ dư

Là giá trị từ độ còn giữ được khi ngắt từ trường (H = 0) Từ dư không phải là thông

số mang tính chất nội tại của vật liệu mà chỉ là thông số dẫn xuất, phụ thuộc vào các cơ chế từ trễ, các phương từ hoá, hình dạng vật liệu từ Tỉ số giữa từ dư và từ độ bão hòa

Mr /Ms được gọi là từ độ rút gọn hoặc hệ số chữ nhật của đường cong từ trễ và giá trị

Mr /Ms càng gần 1 thì đường cong từ trễ càng tiến tới dạng hình chữ nhật [28]

1.3.3 Lực kháng từ

Lực kháng từ là giá trị từ trường ngược cần đặt vào để triệt tiêu độ từ hóa (M = 0) Lực kháng từ thường được ký hiệu là Hc (Coercivity), đôi khi được gọi là trường đảo từ (nhưng không hoàn toàn chính xác) Lực kháng từ cũng không phải là tham số nội tại của vật liệu mà là tham số ngoại giống như từ dư [28]

1.3.4 Nhiệt độ Néel

Đối các vật liệu phản sắt từ (antiferromagnetic), khi tăng nhiệt độ đến một giá trị nào

đó chất phản sắt từ sẽ bị mất trật tự từ và trở thành thuận từ Nhiệt độ này gọi là nhiệt

độ Néel hay nhiệt độ trật tự phản sắt từ (thường được ký hiệu là TN)

16

Hình 1.7 Cấu trúc cobalt spinel ferrite

Đây là một loại vật liệu rất đặc biệt vì nó tính chất từ hay nói cách khác là tính bất

với hằng số mạng a = 8.4 Å, kích thước hạt trung bình 25 - 30 nm Trong công thức

chứa 8 phân tử Mỗi oxide tồn tại 1 lỗ trống bát diện và 2 lỗ trống tứ diện, trong đó kích thước lỗ trống tứ diện nhỏ hơn Cả lỗ trống tứ diện và bát diện, khung của chúng đều bị chiếm bởi các cation [29]

1.4.1 Các phương pháp tổng hợp CoFe 2 O 4

Với sự phát triển của khoa học công nghệ hiện nay có nhiều cách để tổng hợp được các hạt nano cobalt spinel ferrite Nhưng các phương pháp phổ biến nhất là phương pháp đồng kết tủa, sol-gel, vi nhũ,…Ưu điểm của quá trình này là kết tinh tạo nên hạt nano

từ tính và được xảy ra ở nhiệt độ thấp hơn nhiều so với phương pháp tổng hợp gốm truyền thống, sản phẩm thu được có độ tinh khiết và độ đồng nhất cao

a Phương pháp đồng kết tủa

Vì điều kiện phản ứng đơn giản, dễ dàng, ít sử dụng các hóa chất độc hại và có thể điều chỉnh được kích thước hạt bằng cách thay đổi nồng độ các tác chất hoặc nhiệt độ phản

pháp đồng kết tủa Nhưng kết quả lại khác nhau: A Pui và các cộng sự đã sử dụng tác

17

nm, từ độ bão hòa và lực kháng từ lần lượt là 634.7 Oe và 52.2 emu/g [30]; tương tự,

quả gần như giống với nghiên cứu của a.pui, kích thước hạt đạt khoảng 15 nm, từ độ bão hòa và lực kháng từ lần lượt là 585.1 Oe và 53.2 6 emu/g [31]; trong khi đó YeongIl

kháng từ chỉ bằng 39 Oe tại nhiệt độ phòng và từ độ bão hòa bằng 65 emu/g với kích thước hạt từ 10 -30 nm [32]

b Phương pháp vi nhũ

Phương pháp này dễ dàng điều khiển kích thước hạt nano siêu nhỏ và có các đặc điểm đặc biệt của phương pháp tổng hợp này với sự tham gia của các chất hoạt động bề mặt hoặc pha dầu để hình thành hệ nhũ-micelle, làm hạn chế các hạt tiếp xúc với nhau do đó

ta thu được những hạt nano có kích thước rất nhỏ (1-10 nm) [33]

1.4.2 Ứng dụng của vật liệu CoFe 2 O 4

nhau như chế tạo pin lithium, dung dịch lỏng từ, thiết bị điện tử, chất mang xúc tác, thuốc chống ung thư, chụp cộng hưởng từ (MRI) ngược và các ứng dụng trong việc chống khối u [34]

xúc bề mặt riêng lớn nên khả năng hấp phụ xử lý các ion kim loại, các chất hữu cơ, thuốc

lại sau quá trình hấp phụ nhờ từ trường ngoài bằng cách dùng nam châm hút nhằm giảm chi phí tổng hợp, tiết kiệm thời gian và tối ưu hóa vật liệu nano từ tính [35]

1.5 Vật liệu nanocomposite

1.5.1 Khái niệm composite

Compsite là vật liệu được tổng hợp nên từ hai hay nhiều loại vật liệu khác nhau, nhằm mục đích tạo nên một vật liệu mới, ưu việt và bền hơn so với các vật liệu ban đầu Vật liệu composite bao gồm có vật liệu nền và cốt Vật liệu nền đảm bảo việc liên kết các cốt lại với nhau, tạo cho vật liệu gồm nhiều thành phần có tính nguyên khối, liên tục, đảm bảo cho composite độ bền nhiệt, bền hoá và khả năng chịu đựng khi vật liệu có

18

khuyết tật Vật liệu nền của composite có thể là polymer, các kim loại và hợp kim, gốm hoặc carbon Vật liệu cốt đảm bảo cho composite có các mođun đàn hồi và độ bền cơ học cao Các cốt của composite có thể là các hạt ngắn, bột, hoặc các sợi cốt như sợi thuỷ tinh, sợi polymer, sợi gốm, sợi kim loại và sợi carbon,… Trong thực tế, phần lớn composite là loại hai pha gồm nền là pha liên tục trong toàn khối, cốt là pha phân bố gián đoạn [36]

Vật liệu composite cốt sợi đã trở nên phổ biến trong các sản phẩm hiệu suất cao cần nhẹ nhưng đủ mạnh để chịu các điều kiện tải khắc nghiệt như các bộ phận hàng không

vũ trụ (đuôi, cánh, thân máy bay, cánh quạt), thuyền và thân, xe đạp khung Các ứng dụng khác bao gồm cần câu cá , bể chứa , tấm ngăn bể bơi và gậy bóng chày Các máy bay Boeing 787 và Airbus A350 các cấu trúc bao gồm cánh và thân máy bay được cấu tạo phần lớn bằng vật liệu composite Vật liệu composite cũng đang trở nên phổ biến hơn trong lĩnh vực phẫu thuật chỉnh hình Hiện nay, vật liệu mới phát triển theo công nghệ mới, các tính chất đặc biệt (vật liệu siêu cứng, siêu dẻo, …) Về mặt công nghệ người ta phân loại composite theo nền: composite nền polymer, gốm, kim loại, carbon – carbon [37] [38]

1.5.2 Phân loại vật liệu composite

a Composite nền polymer

Vật liệu composite nền polymer được cấu tạo từ hai hoặc nhiều vật liệu và được thiết

kế để tạo ra các đặc tính vật liệu dạng khối vượt trội hơn so với các thành phần riêng lẻ Vật liệu composite thường bao gồm một nền polymer trong đó vật liệu độn được phân

bố ở dạng sợi hoặc hạt Chất độn có thể được thêm vào để cải thiện độ bền hoặc khả năng chống va đập của composite Một yếu tố quan trọng trong thiết kế composite là kiểm soát giao diện giữa chất độn và vật liệu nền, chẳng hạn tăng độ bám dính để cải thiện ứng suất và độ bền của composite [39]

b Composite gốm

Vật liệu gốm có các đặc tính như: độ bền cao và độ cứng cao ở nhiệt độ rất cao (cao hơn rất nhiều so với polymer và kim loại), tính cách nhiệt, cách điện, tính trơ hóa học, mật độ thấp nhưng nó lại thiếu độ dẻo dai Sự khác biệt cơ bản giữa composite gốm

và các vật liệu tổng hợp khác: vật liệu composite không phải nền gốm là để sợi quang

19

chịu tải trọng lớn hơn Sự phân bố tải trọng này phụ thuộc vào tỷ số giữa môđun đàn hồi của sợi và nền Trong vật liệu composite không phải nền gốm, tỷ lệ này có thể rất cao, trong khi ở composite gốm thì khá thấp Một sự khác biệt khác liên quan đến composite gốm là do độ dẻo hạn chế của chất nền và nhiệt độ sản xuất cao, nhiệt độ giữa các thành phần không phù hợp có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của composite gốm [40]

• Composite kim loại

Composite nền kim loại là vật liệu có nền là kim loại hoặc hợp kim, còn phần cốt có thể là kim loại hoặc phi kim loại Vật liệu composite nền kim loại được sản xuất bằng phương pháp đúc và luyện kim bột Bằng phương pháp đúc, vật liệu composite đã được gia cố bằng các hạt phân tán, tiểu cầu, kim loại (ngắn) và sợi liên tục (dài) cũng như vật liệu composite với cốt thép lai gồm hạt và sợi được sản xuất Bằng phương pháp luyện kim bột, vật liệu composite được gia cố bằng các hạt phân tán, tiểu cầu, sợi kim loại Sản xuất composite nền kim loại có thể được chia thành 3 loại là rắn, lỏng và hơi: các phương pháp trạng thái rắn (luyện kim bột), phương pháp trạng thái lỏng (đúc ép, đúc khuấy), phương pháp trạng thái bán rắn, lắng đọng hơi [40]

• Composite carbon – carbon

Hiện nay, cacbon có lẽ là nguyên tố hóa học đáng chú ý nhất mà khoa học biết đến, hiện diện trong nhiều loại vật liệu thiết yếu cho xã hội của chúng ta như than đá, dầu

mỏ, kim cương và gần đây là sợi carbon và sợi carbon gia cố bằng sợi carbon, còn được gọi là vật liệu composite carbon-carbon Composite carbon – carbon là vật liệu composite có cả nền và cốt sợi đều là carbon Sự xuất hiện của vật liệu composite carbon

- carbon trong kỹ thuật theo sau sự phát triển và sử dụng chất dẻo gia cố bằng sợi (vật liệu tổng hợp xanh) đặc biệt trong các ứng dụng liên quan đến nhiệt độ cao

Tuy nhiên, chi phí liên quan đến quá trình chế tạo composite carbon – carbon rất cao,

nguyên liệu thô rất đắt vật liệu [41]

20

1.6 Dầu vỏ hạt điều

1.6.1 Tổng quan về trữ lượng điều

Điều là một trong những cây công nghiệp lâu năm được trồng phổ biến tại nước ta và cũng là một trong những loại hạt được sử dụng rộng rãi trên thế giới Bình Phước là tỉnh miền núi phía Tây Nam, là nơi có tổng sản lượng cây điều chiếm khoảng 170.000 ha, lớn nhất diện tích trồng điều lớn nhất cả nước, bên cạnh việc cung cấp cho thị trường trong nước, giải quyết công ăn việc làm cho hàng ngàn lao động phổ thông góp phần nâng cao nguồn thu cho tỉnh, ngoài ra nó còn là sản phẩm mang tính đặc trưng của vùng đặc biệt là sản phẩm dầu điều [42]

Theo Hiệp hội Điều Việt Nam (Vinacas) năm 2018, tổng diện tích trồng điều cả nước đạt khoảng 320.000 ha, sản lượng dự kiến đạt 2.345.000 tấn Tuy nhiên để sản xuất ra dầu hạt điều thì lượng phế liệu không phải là con số nhỏ [43]

Mặc khác, Việt Nam là một trong các nước xuất khẩu hạt điều thô hàng đầu thế giới

vì vậy mà đã phát sinh ra một lượng lớn rác thải từ vỏ hạt điều sau chế biến Trên thực

tế sau khi bóc tách hạt điều thì khối lượng vỏ hạt và quả chiếm hơn 60% Đây là một thứ phế thải mà hầu hết các nhà sản xuất đều phải đốt bỏ, gây ô nhiễm môi trường

Hình 1.8 a) Quả điều b) Vỏ hạt điều c) Dầu vỏ hạt điều

Dầu vỏ hạt điều (Cashew nut shell liquid – CNSL) là một chất lỏng nhớt chủ yếu bao

có màu vàng nhạt đến màu nâu sẫm, vị đắng và tính ăn da Nó cũng xuất hiện ở các bộ phận khác của cây điều như vỏ, rễ [44] Đây được xem là sản phụ phẩm quan trọng nhất

từ cây điều CNSL có nhiều thuộc tính mong muốn chẳng hạn như đặc tính phai màu

c)

21

thấp, chống thấm nước, mài mòn và điện trở, khả năng hòa tan trong chất hữu cơ thông thường dung môi, khả năng tương thích với nhiều polyme khác và hoạt động kháng khuẩn, làm cho chúng trở thành một nguyên liệu cho nhiều loại công nghiệp, hóa chất Một trong những ứng dụng chính của CNSL là trong sản xuất lót phanh và mặt ly hợp cho ô tô ngành công nghiệp [45] CNSL thu được bằng phương pháp chiết xuất dung môi bao gồm anacardic acid (60–82%), cardol (15–20%), cardanol (10%), và các vết của 2-methylcardol (2,6%) Tuy nhiên, CNSL được thu thập sau khi xử lý ở nhiệt độ cao, anacardic acid có thể bị phân huỷ bởi phản ứng khử carboxyl để tạo thành cardanol Sản phẩm này được coi là CNSL kỹ thuật, bao gồm các thành phần chính là cardanol (60–70%), cardol (15–20%), polymer (10%) và 2-methylcardol Hàm lượng cardanol càng cao thì CNSL càng có giá trị Gần đây, các nhà nghiên cứu đã quan tâm đến việc nghiên cứu sử dụng CNSL như một nguồn tài nguyên tái tạo dồi dào, được ứng dụng cho nhiều ngành công nghiệp như dược phẩm, sản phẩm dầu bóng, chất hoạt động bề mặt, chất phủ bề mặt, nhựa epoxy do thành phần hóa học phong phú của nó [46]

Hình 1.9 (a) Cardol, (b) Anacardic acid, (c) Cardanol (R=25-31)

Chỉ số iod của CNSL cao hơn so với các dầu thực vật khác và phụ thuộc vào điều kiện thời tiết khi thu hoạch cũng như môi trường phát triển của cây điều Sự có mặt của cardol trong thành phần dầu vỏ hạt điều tạo ra tính độc của nó Cardol có cấu trúc hóa học giống với laccol có trong sơn [47], vì thể nó có thể ứng dụng để sản xuất sơn đặc biệt là sơn vecni CNSL tự nhiên bao gồm hai thành phần chính, axit anacardic và cardol Axit anacardic chiếm khoảng 90% trong khi phần còn lại là 10% chủ yếu bao gồm cardol với dấu vết của 2-methylcardol và cardanol Khi nung nóng, axit anacardic khử carboxyl

để tạo ra cardanol và carbon dioxide