luận văn công nghệ hóa học Nghiên cứu ứng dụng vật liệu nano MnO2, MnO2cát thạch anh để xử lý nước nhiễm Mangan

thì dùng cácchất hấp phụ có khả năng hấp phụ hóa học các chất phân cực nh các chất hấpphụ vô cơ, chất hấp phụ vật liệu tổng hợp nh polyurethane, sợi polistiren,...v.v Điều này cho thấy t

Mở ĐầU

Nớc là nguồn tài nguyên rất quan trọng trong cuộc sống của con ngờicũng nh các loài động, thực vật khác Hiện nay,ô nhiễm nguồn nớc là mốiquan tâm của mọi quốc gia trên thế giới Với sự phát triển của khoa học kỹthuật và công nghệ, môi trờng sống của con ngời ngày càng bị ô nhiễm, ảnh h-ởng trực tiếp đến đời sống và sức khỏe con ngời Có rất nhiều loại chất gây ônhiễm nguồn nớc tồn tại cả ở dạng tan và không tan Một trong những tácnhân gây ô nhiễm nghiêm trọng về lâu dài cho sức khỏe con ngời đợc cả cộng

đồng thế giới lo ngại là kim loại nặng

Nguồn nớc hiện nay đợc khai thác sử dụng chủ yếu là nớc ngầm Nớcngầm thờng chứa các chất có hại cho sức khỏe của con ngời nh các kim loại,hợp chất lu huỳnh, hợp chất nitơ, halogel và một số các hợp chất khác Đặcbiệt kim lọai nặng là những nguyên tố có hại cho sức khỏe con ngời nh mầnngứa, ung th

Các phơng pháp hóa học, hóa - lý đợc lựa chọn để xử lý nớc nh kết tủa,hấp thụ, hấp phụ, trao đổi ion, oxi hóa khử, tạo phức, keo tụ, sa lắng, lọc màng

và thẩm thấu ngợc Tùy trong yêu cầu cụ thể mà chọn phơng pháp xử lý đơn lẻhay tổ hợp Nhu cầu về nớc sạch ngày càng tăng cả về chất lợng và số lợng.Trong một vài năm tới chúng ta phải đảm bảo cho 80% dân số đợc sử dụng n-

ớc sạch Do đó, việc lọai bỏ hoặc chuyển hóa các dạng tạp chất ra khỏi nguồnnớc hoặc đa về dạng có nồng độ thấp trong giới hạn cho phép đang là vấn đềcấp bách

Dựa trên cơ sở phân tích trên đây, nhằm đẩy mạnh hớng công nghệ ứngdụng vật liệu kích thớc nanomet và ứng dụng các loại sản phẩm đầy tiềm năngnày vào cuộc sống và sản xuất cũng nh sử dụng tài nguyên sẵn có ở trong nớc,

đề tài “Nghiên cứu ứng dụng vật liệu nano MnO2, MnO2/cát thạch anh để xử

lý nớc nhiễm Mangan ” đã đợc lựa chọn Với 3 mục tiêu chính:

- Tổng quan về nớc và sự ô nhiễm môi trờng nớc

- Tổng quan về vật liệu nano và những ứng dụng của vật liệu nano

- Nghiên cứu dụng vật liệu MnO2 , MnO2/cát thạch anh xử lý nớc nhiễmMangan

CHƯƠNG I: TổNG QUAN

1.1.Nớc Và Sự Ô NHIễM MÔI TRƯờng nớc

1.1.1 Nớc

Cuộc sống trên trái đất bắt nguồn từ trong nớc Tất cả các sự sống trên trái

đất đều phụ thuộc vào nớc và vòng tuần hòan của nớc Nớc là thành phần quantrọng của các tế bào sinh học và là môi trờng của các quá trình sinh hóa cơ

bản nh quang hợp Nớc còn chứa đựng những tiềm năng khác, đáp ứng nhữngnhu cầu đa dạng của con ngời, trong sinh hoạt hàng ngày, trong tới tiêu chonông nghiệp, trong sản suất công nghiệp, tạo ra điện năng và nhiều thắng cảnhthiên nhiên hùng vĩ.

Hơn 70% diện tích của trái đất đợc bao phủ bởi nớc Trữ lợng tài nguyên

n-ớc có khoảng 1,5 tỷ km3, trong đó gần 97% là nớc đại dơng, khoảng hơn 3%

là nớc ngọt tồn tại chủ yếu dới dạng băng tuyết ở hai cực và ở trên các ngọnnúi Trên thực tế lợng nớc có thể sử dụng đợc chỉ khoảng 4,2 triệu km3 (0,28%thủy quyển) [1]

Nớc trên hành tinh phân bố không đều Nớc tự nhiên tập trung phần lớn ởbiển và đại dơng, sau đó đến khối băng ở các cực rồi nớc ngầm Nớc ngọt tầngmặt chỉ chiếm tỷ lệ không đáng kể

Nớc không ngừng vận động và chuyển trạng thái, tạo nên vòng tuần hoàncủa nớc trong sinh quyển: nớc bốc hơi, ngng tụ rồi ma Nớc ma rơi xuống mặt

đất, một phần đọng lại trong các hồ, phần khác tạo nên dòng chảy bề mặt để

đổ ra biển

Nớc cung cấp chính cho họat động của con ngời từ hai nguồn chính là nớcmặt và nớc ngầm Hai nguồn có liên quan đến nhau, mỗi nguồn có những đặctrng riêng và có những u, nhợc điểm tuỳ vào mục đích sử dụng

Nớc trên bề mặt trái đất ở dạng chảy hay dạng nớc lặng đợc coi là nớc mặt.Nớc mặt là nớc trong sông hồ hoặc nớc ngọt trong vùng đất ngập nớc Nớcmặt đợc bổ sung một cách tự nhiên bởi giáng thủy và chúng mất đi khi chảyvào đại dơng, bốc hơi và thấm xuống đất

Nớc ngầm hay còn gọi là nớc dới đất, là nớc ngọt đợc chứa trong các lỗrỗng của đất hoặc đá Nó cũng có thể là nớc chứa trong các tầng ngậm nớcbên dới mực nớc ngầm Nguồn cung cấp nớc cho nớc ngầm là nớc mặt thấmvào tầng chứa, các nguồn thoát tự nhiên nh suối và thấm vào các đại dơng

1.1.2 Nguồn nớc ngầm

Nớc ngọt là nguồn tài nguyên tái tạo, tuy vậy mà việc cung cấp nớc ngọt vàsạch trên thế giới đang từng bớc giảm đi Nhu cầu nớc đã vợt cung ở một vàinơi trên thế giới, trong khi khoa học công nghệ, công nghiệp và dân số tăngmạnh làm nhu cầu nớc tăng

Thực tế lợng nớc dự trữ trên trái đất không nhiều mà nhu cầu sử dụng lạilớn Để đáp ứng nhu cầu dùng nớc con ngời không ngừng tìm các nguồn nớcmới và cách xử lý nguồn nớc Nớc khai thác gồm hai loại có nguồn gốc khácnhau là nớc mặt và nớc ngầm Nớc mặt là nớc trong sông, hồ, ao, suối Nớcsông chảy qua nhiều vùng đất khác nhau vì thế lẫn nhiều tạp chất hàm lợngcặn cao (nhất là vào mùa lũ) có nhiều chất hữu cơ, rong tảo, vi trùng, dễ bị ô

nhiễm Nớc ao, hồ tuy có hàm lợng cặn thấp hơn nớc sông nhng độ màu vàphù du rong tảo nhiều hơn [2]

Nguồn nớc ngầm có đợc là do sự thẩm thấu của nớc mặt, nớc ma, nớctrong không khí, qua các tầng vỉ đất đá tạo nên những túi nớc trong lòng đất.Trong quá trình thẩm thấu một phần nớc bị giữ lại ở các khe núi hay các lỗxốp của các tầng đất đá tạo nên các tầng ngậm nớc Thông thờng, nớc ngầm dichuyển qua một số lớp nh: sỏi, cát thô, cát trung, cát mịn và đá vôi Cho đếntầng không ngấm nớc (đất sét và hoàng thổ) Nớc ngầm ở Việt Nam nói chung

có hàm lợng muối cao hàm lợng kim lọai nặng cũng cao hơn so với trên thếgiới Đặc điểm chung của nớc ngầm là khả năng di chuyển nhanh trong cáclớp đất xốp, tạo thành dòng chảy ngầm theo địa hình Nớc ngầm tầng mặt th-ờng không có lớp ngăn cách với địa hình bề mặt Do vậy, thành phần và mựcnứơc biến đổi nhiều, phụ thuộc vào trạng thái của nớc mặt Loại nớc ngầmtầng mặt rất dễ bị ô nhiễm Nớc ngầm tầng sâu thờng nằm trong lớp đất đáxốp đợc ngăn cách bên trên và phía dới bởi các lớp không thấm nớc Nớcngầm có hàm lợng chất hữu cơ thấp, vi trùng hầu nh không có, các thành phầntơng đối ổn định và ít bị ô nhiễm Khoảng cách giữa vùng thu nhận và khaithác thờng khá xa, từ vài chục đến vài trăm kilomet Các lỗ khoan nớc ở vùngkhai thác thờng có áp lực Đây là lọai nớc có chất lợng ổn định

1.1.3 Sự ô nhiễm môi trờng nớc

Nớc tự nhiên là nớc đợc hình thành dới ảnh hởng của quá trình tự nhiên, không có tác động của nhân sinh

Ô nhiễm môi trờng nớc là hiện tợng các vùng nớc nh sông, hồ, biển , nớcngầm bị các họat động của con ngời làm nhiễm các chất có thể gây hại chocon ngời và cuộc sống của các sinh vật trong tự nhiên Nớc bị ô nhiễm nghĩa

là thành phần của nó tồn tại các chất khác, mà chất này có thể gây hại cho conngời và cuộc sống các sinh vật trong tự nhiên Khi mức sống của con ngờingày càng cao thì nhu cầu sử dụng nớc sinh họat ngày càng nhiều, tuy vậy,những nguồn nớc đang sử dụng phần lớn không đạt tiêu chuẩn Việt Nam làmột trong những nớc đang phải đối diện với sự ô nhiễm kim loại nặng ở nguồnnớc một cách trầm trọng Trong quá trình sinh họat hàng ngày, dới tốc độ pháttriển nh hiện nay con ngời vô tình làm ô nhiễm nguồn nớc bằng các hóa chất,chất thải từ các nhà máy, xí nghiệp Các đơn vị, cá nhân sử dụng nớc ngầm d-

ới hình thức khoan giếng, sau khi ngng sử dụng không bịt kín các lỗ khoan lạilàm cho nớc bẩn chảy lẫn vào làm ô nhiễm nguồn nớc ngầm Các nhà máy xínghiệp xả khói bụi công nghiệp làm ô nhiễm không khí, khi trời ma, các chất

ô nhiễm sẽ lẫn vào trong nớc ma cũng góp phần làm ô nhiễm nguồn nớc [3]

Khoa Công nghệ Hóa 3 Lê Thị Ngà

Do có tác động của nhân sinh, quá trình phát triển, sự tiến bộ mạnh mẽ củakhoa học kỹ thuật cũng nh tình trạng dân số tăng nhanh – Kéo theo đó là hệlụy ô nhiễm môi trờng, đặc biệt là môi trờng nớc Nớc tự nhiên bị nhiễm bẩnbởi các chất khác nhau làm ảnh hởng xấu đến chất lợng của nớc Các khuynhhớng làm thay đổi chất lợng của nớc dới ảnh hởng hoạt động kinh tế của conngời là:

- Giảm độ pH của nớc ngọt do ô nhiễm bởi H2SO4, HNO3 từ khí quyển, tănghàm lợng SO42-, NO3- trong nớc

- Tăng hàm lợng của các ion Ca, Mg, Si trong nớc ngầm và nớc sông do mahòa tan, phong hóa cacbonat

- Tăng hàm lợng của các ion kim loại nặng trong nớc tự nhiên nh: Pb, Cd, Hg,

Nguồn nớc chủ yếu đợc khai thác là nớc ngầm Theo thống kê cha đầy đủcả nớc hiện nay có khoảng hơn 1 triệu giếng khoan, trong đó nhiều giếng cónồng độ cao hơn nhiều lần nồng độ cho phép

1.1.4 Tính chất, tác hại và tình hình ô nhiễm Mangan

1.1.4.1 Tính chất và cơ chế gây hại của mangan

Mangan là nguyên tố hoá học trong bảng tuần hoàn có ký hiệu Mn và có

số nguyên tử 25 Là kim loại màu trắng xám, giống sắt Nó là kim loại cứng,giòn, khó nóng chảy, nhng lại bị oxy hoá dễ dàng Mangan kim lọai chỉ có từtính sau khi đã qua xử lý đặc biệt Nó đợc tìm thấy ở dạng tự do trong tự nhiên(đôi khi kết hơp với sắt) và trong một số loại khoáng vật Dạng nguyên tố tự

do, Mangan kim lọai là kim loại quan trọng trong các hợp kim công nghiệp,

đặc biệt là thép không gỉ

Do cấu tạo địa chất, Mangan có thể có trong nớc Thờng thì hàm lợngMangan có trong nớc ngầm cao hơn trong nớc mặt Ngoài ra Mangan cũng làmột kim lọại, do đó nó cũng có mặt trong thành phần cấu tạo của đờng ốngdẫn nớc (bằng gang, thép) với tỷ lệ nhỏ

Mangan có trong mặt trong nớc ở dạng ion hoà tan (Mn2+) Với hàm ợng nhỏ thì Mangan có lợi cho sức khoẻ Tuy nhiên, nếu Mangan có hàm lợngcao sẽ gây ảnh hởng đến một số cơ quan nội tạng trong cơ thể Nếu có trong

l-nớc có nhiều Mangan thì khi tiếp xúc với oxy, Mangan sẽ bị oxy hoá tạo nêndioxit mangan (MnO2) làm nớc có màu nâu đen và gây mùi tanh kim loại.Ngoài ra, khi Mangan có mặt trong nớc gặp Clo thì cũng tạo kết tủa cặn bámdioxit mangan và có thể gây tắc đờng ống [4]

Mangan và sức khoẻ mọi sinh vật đều phải cần Mangan để tồn tại và pháttriển Mangan là nguyên tố đóng vai trò thiết yêu trong tất cả các dạng sống.Trong cơ thể ngời, Mangan duy trì sự hoạt động của một số men quantrọng và tăng cờng quá trình tạo xơng Hằng ngày, mỗi ngời trởng thành cần2-5mg mangan Mangan có nhiều trong ngũ cốc còn nguyên vỏ cám (gạo, bộtmỳ), trong các loại rau, quả Mangan cũng có một lợng đáng kể Do nguồncung cấp Mangan khá phong phú và nhu cầu không cao hầu nh không ai bịthiếu Mangan Tuy nhiên, trong quá trình sinh hoạt sử dụng nguồn nớc nhiễmMangan cao có thể gây ngộ độc mangan, gây rối loại hoạt động thần kinh.Những ngời dễ nhiễm độc Mangan là trẻ em, ngời già và phụ nữ có thai vànhững ngời mắc bệnh về gan, mật

1.1.4.2 Tình hình ô nhiễm Mangan

Một nghiên cứu mới đấy về nớc ngầm tại đồng bằng sông Hồng cho thấy nguồn nớc ngầm ở miền Bắc Việt Nam bị ô nhiễm kim loại nặng nói chung, Mangan nói riêng ở mức độ rất cao gây nguy hiểm cho ngời sử dụng

Trong hơn 10 năm qua các nhà khoa học thế giới đã nhận thấy rằng tìnhhình ô nhiễm kim loại nặng trong đó có nguyên tố Mangan nói riêng ngàycàng gia tăng Đặc biệt là ở các quốc gia nh: ấn Độ, Đài Loan, Arhentina,Trung Quốc, Mông Cổ, Mehico, Thái Lan, Bangladesh, Mỹ, Campuchia, ViệtNam

Theo các thông báo của Bộ Tài nguyên và Môi trờng các tỉnh đồng bằngbắc bộ nh: Hà Nội, Hà Nam, Hng Yên, Vĩnh Phúc, đều có hiện tợng ô nhiễmkim lọai nặng [5,6,7]

Theo đánh giá của WHO, nớc ta có trên mời triệu ngời có thể phải đối mặtvới nguy cơ tiềm tàng về nhiễm độc kim lọại nặng

Trong môi trờng thờng tồn tại nhiều hóa chất khác nhau Khó có thể nóimột hóa chất nào có độc hay không độc Ngời ta dùng hàm lợng giới hạn đểdiễn đạt tính độc và không độc của hóa chất Khi nồng độ của hóa chất lớnhơn giới hạn cho phép thì nó sẽ gây độc hại,gây ra những tác hại cho quá trìnhsống

Quyết định số 1329/2002/BYT/QĐ, ngày 18/4/2002 của Bộ Y tế quy địnhTCVN 6182 – 1996, (ISO 6595 –1982) giới hạn cho phép đối với kim loạinặng trong nớc ăn, uống là 0,05mg/l đối với mangan Nh vậy nếu nh hàm lợng

Khoa Công nghệ Hóa 5 Lê Thị Ngà

Magan trong nớc ăn và uống lớn hơn 0,05mg/l thì sẽ gây độc, có hại cho sứckhoẻ con ngời.

Một báo cáo về nguồn nớc ngầm ở khu vực đồng bằng sông Hồng của cácchuyên gia quốc tế cho thấy những con số đáng lo ngại – Bởi mức độ ônhiễm kim lọai nặng rất cao trong khi nhiều ngời dân ở vùng đồng bằng sôngHồng hiện đang sử dụng nớc ngầm trong các sinh họat hàng ngày

Các chuyên gia đã thu thập mẫu từ 512 giếng đào trong khu vực để phântích Mangan cũng nh các kim lọai nặng và các chất độc khác Theo tạp chíNational Academy of Science trích lời các chuyên gia nghiên cứu cho biết có

đến 44% số giếng nớc đợc lấy mẫu từ đồng bằng sông Hồng bị nhiễm manganvợt quá mức cho phép của tổ chức Y tế Thế giới

Theo tổ chức y tế thế giới, nớc nhiễm hơn 50 microgram Mangan trên 1 lítnớc bị coi là không an toàn Những ngời bị nhiễm Mangan lâu dài, sẽ tích luỹchất này trong cơ thể và tác động rất nguy hiểm với thần kinh và sự phát triểntrí tuệ, nhất là ở trẻ nhỏ Những nguồn nớc có hàm lợng Mangan vợt quá mứccho phép sẽ sinh ra lợng vi khuẩn lớn ảnh hởng đến đờng ruột Nếu vợt hàm l-ợng này sẽ gây độc hại cho cơ thể thông qua cơ chế gây độc tới nguyên sinhchất của tế bào Đặc biệt là tác động lên hệ thần kinh trung ơng, gây tổn thơngthận, bộ máy tuần hoàn phổi, ngộ độc nặng gây tử vong.[8,9]

Giải pháp loại bỏ kim loại nặng, đặc biệt là Mangan để nớc đạt tiêu chuẩn an toàn sức khoẻ lầ cần thiết Trên thế giới có 4 loại hình công nghệ

đang đợc áp dụng là : trao đổi ion, oxy hoá, hấp phụ và đồng kêt tủa

độ rất thấp Để tăng hàm lợng oxi trong nớc ngầm thì biện pháp đơn giản nhất

là làm thoáng

- Phơng pháp oxi hoá bằng Clo:

Quá trình oxi hoá khử:

Cl2 + 2e = 2Cl- E0 = 1,36 VKhi cho Clo vào nớc, Clo sẽ oxi hoá Me2+ thành Me3+

2Me2+ + Cl2 + 6 H2O = 2Me(OH)3 + 6H+.

- Oxi hóa Me2+ bằng KMnO4:

Me2+ + KMnO4 + 7H2O = 3Me(OH)3 +MnO2 + K+ + 5H+

Trên thực tế, lợng KMnO4 tiêu tốn để oxi hoá Me2+ nhìn chung ít hơn sovới lợng tính toán theo hệ số tỷ lợng Ngời ta giải thích hiện tợng này là do sựtạo thành MnO2 nh chất xúc tác của phản ứng Phản ứng xảy ra ở pH = 6 - 9,tốc độ phản ứng nhanh hơn so với việc oxi hoá bởi Clo

- Oxi hóa Me2+ bằng dioxit clo (ClO2):

Me2+ + ClO2 + 3H2O = Me(OH)3 + ClO2 + 3H+.Phản ứng oxi hoá Me bằng ClO2 xẩy ra rất nhanh, nhất là khi pH > 7

- Oxi hóa Me bằng ozon:

Ozon là chất oxi hoá mạnh mà ngời ta có thể sử dụng để oxi hoá Me2+,

nh-ng cũnh-ng cần phải tính đến hiệu ứnh-ng phụ Kết tủa đợc hình thành tronh-ng quátrình oxi hoá có thể kết hợp với bọt khí ozon và nổi lên mặt nớc gây khó khăn

bộ vì không thể xử lý triệt để, lợng bùn thải sinh ra lớn và khó quay vòng, giai

đoạn làm khô lâu và khá đắt

So với kỹ thuận đồng kết tủa hidroxit, kết tủa dới dạng muối cacbonat thu

đợc kết tủa đồng nhất hơn khi tiến hành ở pH= 8-9, do đó dễ thu hồi kết tủabằng cách lọc hay gạn Phơng pháp này bị hạn chế bởi một số muối cacbonatkim loại có tích số tan lớn nên hiệu quả tách loại thấp Vì vậy, kỹ thuật kết tủacacbonat ít thông dụng hơn kết tủa dạng hidroxit Hiện tợng bão hòa và tạophức cũng làm giảm hiệu quả xử lý Để khắc phục, ngời ta làm tăng số mầmkết tủa bằng cách đa cát mịn hoặc CaCO3 dạng huyền phù vào trong dòng thảicần xử lý Nhờ vậy kết tủa thu đợc dễ dàng hơn

Kỹ thuật đồng kết tủa dới dạng sunfua cũng thờng đợc sử dụng bởi kếttủa sunfua kim loại có độ tan nhỏ Kỹ thuật này có thể đợc sử dụng khi dòngthải chứa phức chất, thậm chí ngay khi dòng thải chứa các axit có tính oxi hóa.Muối sunfua kim loại kiềm thổ có độ tan khá lớn nên kỹ thuật kết tủa sunfuacho phép thu hồi chọn lọc các kim loại nặng Nhợc điểm của phơng pháp này

Khoa Công nghệ Hóa 7 Lê Thị Ngà

là khó thu hồi toàn bộ kết tủa sunfua vì đôi khi chúng tồn tại ở dạng huyềnphù keo, giá thành của tác nhân kết tủa (NaS, H2S) cao

Ngoài các kỹ thuật trên, ngời ta sử dụng một số cách khác nhằm làm giảmnồng độ còn lại của kim loại Đó là các kỹ thuật đồng kết tủa với các tác nhântrợ kết tủa hay tạo phức vòng càng, kết tủa dới dạng sunfua hữu cơ, những kỹthuật này thờng dẫn đến việc sử dụng nhiều hóa chất, giá thành cao và cần cóbớc xử lý thứ cấp

1.2.3 Phơng pháp trao đổi ion

Cơ sở của phơng pháp dựa trên quá trình trao đổi ion bề mặt chất rắn vớicác ion có cùng điện tích trong dung dịch khi tiếp xúc với nhau Các chất nàygọi là các chất ionit (chất trao đổi ion), chúng hoàn toàn không tan trong nớc.Các chất có khả năng trao đổi ion dơng từ dung dịch điện ly gọi là cáccationit, những chất này mang tính axit Các chất có khả năng trao đổi ion âmgọi là các anionit và chúng mang tính kiềm Các ion có khả năng trao đổi cảanion và cation thì đợc gọi là ionit lỡng tính Chất trao đổi ion có thể là cácchất vô cơ hoặc hữu cơ có nguồn gốc tự nhiên hay đợc tổng hợp:

- Các chất trao đổi ion vô cơ tự nhiên: zeolit, đất sét, fespat

- Các chất trao đổi ion có nguồn gốc vô cơ tổng hợp : silicagen, các oxit vàhidroxit khó tan của một số kim loại : Al, Cr, Zn

- Các chất trao đổi ion hữu cơ có nguồn gốc tự nhiên : axit humic của đất (chấtmùn)

- Các chất trao đổi ion tổng hợp gồm polymer hữu cơ đợc gắn các nhóm cókhả năng trao đổi ion nh : RSO3H, RCOOH, ROH, RPO3H Phơng pháp này

có u điểm:

► Cho phép thu hồi chất có giá trị với mức độ làm sạch cao

► Thiết bị vận hành đơn giản

► Vật liệu có thể tái sinh đợc nhiều lần

Trong thực tế nhựa trao đổi ion cần đến 60% thể tích bình chứa và 40%còn lại là thể tích dung dịch đi vào Do vậy phơng pháp này phù hợp cho quytrình sản xuất nhỏ, còn với quy trình sản xuất lớn bị hạn chế và quá trình xử lí

cao

1.2.4 Phơng pháp hấp phụ

Khi xem xét các quy trình công nghệ xử lý nớc, ngời ta chú ý nhiều đếnphơng pháp hóa lý Phơng pháp hấp phụ là một phơng pháp hóa lý thông

dụng, đợc biết từ xa xa, nh việc lọc nớc bằng than, cát, đá, sỏi mà trớc đâycon ngời đã xây dựng thành nền kỹ thuật lọc nớc sạch phục vụ đời sống.

Nớc bị ô nhiễm thờng chứa nhiều loại chất tan khác nhau, khó tách lọcbằng những phơng pháp thông thờng, nhng dùng phơng pháp hóa lý hấp phụthì có thể đạt hiệu quả xử lý cao hơn, trong nhiều giai đoạn của các quy trìnhcông nghệ xử lý nớc, ta có thể thấy không thể thiếu đợc vai trò của chất hấpphụ Ngời ta thờng sử dụng các loại chất hấp phụ nh: than hoạt tính, thancủi, để xử lý; còn đối với các chất tan phân cực nh các ion kim loại, cationkim loại kiềm thổ (Ca2+, Mg2+, ), anion gốc axit (Cl-, SO42-, ) thì dùng cácchất hấp phụ có khả năng hấp phụ hóa học các chất phân cực nh các chất hấpphụ vô cơ, chất hấp phụ vật liệu tổng hợp nh polyurethane, sợi polistiren, v.v

Điều này cho thấy tính u việt của phơng pháp hấp phụ và vai trò của cácchất hấp phụ là rất quan trọng, cần thiết trong các quá trình làm sạch nớc, xử

lý nớc từ đó tìm kiếm và nghiên cứu ứng dụng các chất hấp phụ thích hợpdùng trong phơng pháp xử lý

Từ các công nghệ liệt kê ở trên ngoài công nghệ màng và công nghệ trao

đổi ion là công nghệ có khả năng tách loại khá triệt để kim lọai nặng lên đếntrên 90% nhng giá thành lại rất cao và không phù hợp với các nguồn nớc giàukim loại nặng nh ở Việt Nam; các công nghệ còn lại thì hiệu quả xử lý và hoạtkhông cao nên không an toàn trong quá trình sử dụng, vì vậy vấn đề đặt ra làcần phải nghiên cứu biến tính những vật liệu tạo ra những loại vật liệu mới vừa

có hiệu quả xử lý cao, triêt để lại phù hợp với nguồn nớc ở Việt Nam

Trong thời gian qua, đã có hớng đi mới trong việc không ngừng cải tiếncác công nghệ và vật liệu sẵn có, tìm tòi và thiết kế chế tạo các vật liệu mới độtin cậy của công nghệ ổn định và có giá thành phù hợp hơn Đặc biệt sự pháttriển nhanh của công nghệ nano đã tạo ra sự thay đổi mang tính đột phá trongmọi lĩnh vực của cuộc sống và sản suất trong đó có lĩnh vực xử lý môi trờng.Trên thực tế có rất nhiều vật liệu có khả năng hấp phụ, xử lý kim lọai nặngtrong nớc Trong số đó, ngời ta chú ý đến nhiều đến các vật liệu nền oxitmangan, hoạt hóa xử lý bề mặt các quặng mangan tự nhiên vì những lý do sau:

- Là oxit đa hóa trị, xúc tác cho quá trình oxi hóa

- Dễ biến tính, phủ bề mặt nên có diện tích bề mặt lớn

- Độ cứng cao và độ mài mòn thấp nên dễ dàng sử dụng, triển khai với quy môlớn

- Không khó khăn trong việc chế tạo, nguồn nguyên liệu phong phú

Việc nghiên cứu tách loại kim loại nặng cho nớc sinh hoạt ở trong nớc đãbắt đầu từ lâu, nhng nhìn chung cha có một công nghệ và vật liệu nào tỏ ra có

Khoa Công nghệ Hóa 9 Lê Thị Ngà

u thế vợt trội trong việc xử lý kim lọai nặng ở quy mô gia đình cũng nh quymô công nghiệp.

1.2.5 Cơ sở lý thuyết của phơng pháp hấp phụ

1.2.5.1 Khái niệm chung

Hấp phụ là phơng pháp tách chất, trong đó các cấu tử từ hỗn hợp lỏng hoặckhí hấp phụ trên bề mặt chất rắn, xốp

Chất hấp phụ: Chất có bề mặt trên đó xảy ra sự hấp phụ

Chất bị hấp phụ: Chất đợc tích lũy trên bề mặt chất hấp phụ

Pha mang: Hỗn hợp tiếp xúc với chất hấp phụ

Quá trình giải hấp là quá trình đẩy chất bị hấp phụ ra khỏi bề mặt chất hấpphụ Khi quá trình hấp phụ đạt trạng thái cân bằng thì tốc độ hấp phụ bằng tốc

độ giải hấp

1.2.5.2 Hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học

Hấp phụ vật lý gây nên bởi lực VanderWalls, liên kết này yếu, dễ bị phá

vỡ Hấp phụ hóa học tạo thành lực liên kết hóa học giữa bề mặt chất hấp phụ

và phần tử chất bị hấp phụ, liên kết này tơng đối bền và khó bị phá vỡ

Thông thờng, trong quá trình hấp phụ sẽ xảy ra đồng thời cả hai quá trìnhtrên Trong đó, hấp phụ hóa học đợc coi là trung gian giữa hấp phụ vật

lý và phản ứng hóa học Để phân biệt hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học, ngời

ta đa ra một số chỉ tiêu so sánh sau:

- Hấp phụ vật lý có thể là đơn lớp hoặc đa lớp, hấp phụ hóa học chỉ là đơn lớp

- Tốc độ hấp phụ: Hấp phụ vật lý không đòi hỏi sự hoạt hóa phân tử do đó xảy

ra nhanh , hấp phụ hóa học nói chung đòi hỏi sự hoạt hóa phân tử do đó xảy rachậm hơn

- Nhiệt độ hấp phụ: Hấp phụ vật lý thờng xảy ra ở nhiệt độ thấp, hấp phụ hóahọc xảy ra ở nhiệt độ cao hơn

- Nhiệt hấp phụ: Đối với hấp phụ vật lý lợng nhiệt tỏa ra nằm trong khoảng từ

2 - 8kcal/mol, còn hấp phụ hóa học nhiệt tỏa ra lớn hơn 22kcal/mol

- Tính đặc thù: Hấp phụ vật lý ít phụ thuộc vào bản chất hóa học do đó ítmang tính đặc thù rõ rệt Còn hấp phụ hóa học mang tính đặc thù cao, nó phụthuộc vào khả năng tạo thành liên kết hóa học giữa chất hấp phụ và chất bịhấp phụ

1.2.5.3 Cân bằng hấp phụ và tải trọng hấp phụ

Cân bằng hấp phụ: Quá trình chất khí hoặc chất lỏng hấp phụ trên bề mặtchất hấp phụ là một quá trình thuận nghịch Các phần tử chất bị hấp phụ khi

đã hấp phụ trên bề mặt chất hấp phụ vẫn có thể di chuyển ngợc lại pha mang.Theo thời gian, lợng chất bị hấp phụ tích tụ trên bề mặt chất rắn càng nhiều thìtốc độ di chuyển ngợc trở lại pha mang càng lớn Đến một thời điểm nào đó,

tốc độ hấp phụ bằng tốc độ di chuyển ngợc lại pha mang (giải hấp) thì quátrình hấp phụ đạt cân bằng.

Tải trọng hấp phụ cân bằng: biểu thị khối lợng chất bị hấp phụ trên một

đơn vị khối lợng chất hấp phụ tại trạng thái cân bằng dới các điều kiện nồng

m : khối lợng chất hấp phụ (g)

Ci : nồng độ dung dịch ban đầu (mg/l)

Cf : nồng độ dung dịch khi đạt cân bằng hấp phụ (mg/l)

Cũng có thể biểu diễn đại lợng hấp phụ theo khối lợng chất hấp phụ trên một đơn vị diện tích bề mặt chất hấp phụ

s : diện tích bề mặt riêng của chất hấp phụ

1.2.5.4 Phơng trình động học hấp phụ

Sự tích tụ chất hấp phụ trên bề mặt vật rắn gồm hai quá trình khuếch tán.Trong đó quá trình các phần tử chất bị hấp phụ từ pha mang đến bề mặt vậtrắn khuếch tán ngoài Nh vậy lợng chất bị hấp phụ trên bề mặt vật rắn sự phụthuộc vào hai quá trình khuếch tán Tải trọng hấp phụ sẽ thay đổi theo thờigian cho tới khi quá trình hấp phụ đạt cân bằng

Gọi tốc độ hấp phụ là biến thiên độ hấp phụ theo thời gian, ta có:

Khi tốc độ hấp phụ thuộc bậc nhất vào sự biến thiên nồng độ theo thời gianthì:

β : hệ số chuyển khối

Ci : nồng độ chất bị hấp phụ trong pha mang tại thời điểm ban đầu

Cf : nồng độ chất bị hấp phụ trong pha mang tại thời điểm t

k : hằng số tốc độ hấp phụ

q : tải trọng hấp phụ tại thời điểm t

Qmax : tải trọng hấp phụ cực đại

Hình 1 Đờng cong động học biểu thị sự phụ thuộc của tải trọng hấp phụ vào

thời gian và nồng độ chất bị hấp phụ (C 1 >C 2 ).

1.2.5.5 Các mô hình hấp phụ đẳng nhiệt

Đờng đẳng nhiệt hấp phụ là đờng mô tả sự phụ thuộc giữa tải trọng hấpphụ vào nồng độ cân bằng của chất hấp phụ trong dung dịch (hay áp suấtriêng phần trong pha khí) Các đờng đẳng nhiệt hấp phụ có thể xây dựng tạimột nhiệt độ nào đó bằng cách cho một lợng xác định chất hấp phụ vào một l-ợng dung dịch chất bị hấp phụ có nồng độ đã biết Sau một thời gian xác

định nồng độ cân bằng của chất bị hấp phụ trong dung dịch và lợng chất bịhấp phụ tính theo công thức:

m : khối lợng chất bị hấp phụ (g)

Ci : nồng độ đầu của chất bị hấp phụ (mg/l)

Cf : nồng độ cuối của chất bị hấp phụ (mg/l)

V : thể tích của dung dịch cần hấp phụ (l)

1.2.5.6 Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir [16,18]

Để mô tả quá trình hấp phụ một lớp đơn phân tử trên bề mặt vật rắn, phơngtrình Langmuir đợc thiết lập trên các giả thiết sau:

- Các phần tử đợc hấp phụ đơn lớp trên bề mặt chất hấp phụ

- Sự hấp phụ là chọn lọc

- Giữa các phần tử chất hấp phụ không có tơng tác qua lại với nhau

- Bề mặt chất hấp phụ đồng nhất về năng lợng, nghĩa là sự hấp phụ xảy ra trênbất kì chỗ nào thì nhiệt hấp phụ vẫn là một giá trị không đổi Nói cách khác,trên bề mặt chất hấp phụ không có những trung tâm hoạt động

- Giữa các phần tử trên lớp bề mặt và bên trong lớp thể tích có cân bằng độnghọc nghĩa là ở trạng thái cân bằng tốc độ hấp phụ bằng tốc độ giả hấp

Phơng trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir có dạng:

q : tải trọng hấp phụ tại thời điểm cân bằng.

Qmax : tải trọng hấp phụ cực đại

b : hằng số

Khi b.Cf << 1 thì q = Qmax.b.Cf mô tả vùng hấp phụ tuyến tính

Khi b.Cf >> 1 thì q = Qmax mô tả vùng bão hòa hấp phụ

Khi nồng độ chất hấp phụ nằm giữa hai giới hạn trên thì đờng đẳng nhiệtbiểu diễn là một đoạn cong Để xác định các hằng số trong phơng trình hấpphụ đẳng nhiệt Langmuir có thể sử dụng phơng pháp đồ thị bằng cách đa ph-

Hình 2 Đờng hấp phụ langmuir và sự phụ thuộc C f /q vào C f

2.2.5.2 Phơng trình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich [17,18]

Đây là một phơng trình thực nghiệm có thể sử dụng để mô tả nhiều hệ hấpphụ hóa học hay vật lý Phơng trình này đợc biểu diễn bằng một hàm mũ:

q = k.C1/nTrong đó:

k : Hằng số phụ thuộc vào nhiệt độ, diện tích bề mặt và các yếu tố khác

n : Hằng số phụ thuộc vào nhiệt độ và luôn lớn hơn 1Phơng trình Freundlich phản ánh khá sát thực số liệu thực nghiệm chovùng ban đầu và vung giữa của đờng hấp phụ đẳng nhiệt

f n

Đ ờng hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich Sự phụ thuộc lgA vào lgC

Vật liệu nano có thể đợc định nghĩa một cách khái quát là loại vật liệu

mà cấu trúc của các thành phần cấu tạo nên nó ít nhất phải có một chiều ởkích thớc nanomet

V t li u nano l m t thu t ng r t ph bi n, tuy v y c ng khụng cúệu nano là một thuật ngữ rất phổ biến, tuy vậy cũng khụng cú à một thuật ngữ rất phổ biến, tuy vậy cũng khụng cú ột thuật ngữ rất phổ biến, tuy vậy cũng khụng cú ữ rất phổ biến, tuy vậy cũng khụng cú ất phổ biến, tuy vậy cũng khụng cú ổ biến, tuy vậy cũng khụng cú ến, tuy vậy cũng khụng cú ũng khụng cú

m t khỏi ni m rừ ột thuật ngữ rất phổ biến, tuy vậy cũng khụng cú ệu nano là một thuật ngữ rất phổ biến, tuy vậy cũng khụng cú r ng v thu t ng ú à một thuật ngữ rất phổ biến, tuy vậy cũng khụng cú ề thuật ngữ đú Để hiểu rừ khỏi niệm vật liệu ữ rất phổ biến, tuy vậy cũng khụng cú đú Để hiểu rừ khỏi niệm vật liệu Để hiểu rừ khỏi niệm vật liệu ể hiểu rừ khỏi niệm vật liệu hi u rừ khỏi ni m v t li uệu nano là một thuật ngữ rất phổ biến, tuy vậy cũng khụng cú ệu nano là một thuật ngữ rất phổ biến, tuy vậy cũng khụng cúnano, chỳng ta c n bi t hai khỏi ni m cú ần biết hai khỏi niệm cú ến, tuy vậy cũng khụng cú ệu nano là một thuật ngữ rất phổ biến, tuy vậy cũng khụng cú liờn quan l khoa h c nano, và một thuật ngữ rất phổ biến, tuy vậy cũng khụng cú ọc nano, và à một thuật ngữ rất phổ biến, tuy vậy cũng khụng cúcụng ngh nano Theo Vi n h n lõm ho ng gia Anh qu c thỡ:ệu nano là một thuật ngữ rất phổ biến, tuy vậy cũng khụng cú ệu nano là một thuật ngữ rất phổ biến, tuy vậy cũng khụng cú à một thuật ngữ rất phổ biến, tuy vậy cũng khụng cú à một thuật ngữ rất phổ biến, tuy vậy cũng khụng cú ốc thỡ:

Khoa h c nano: L ng nh khoa h c nghiờn c u v cỏc hi n tọc nano, và à một thuật ngữ rất phổ biến, tuy vậy cũng khụng cú à một thuật ngữ rất phổ biến, tuy vậy cũng khụng cú ọc nano, và ứu về cỏc hiện tượng và can ề thuật ngữ đú Để hiểu rừ khỏi niệm vật liệu ệu nano là một thuật ngữ rất phổ biến, tuy vậy cũng khụng cú ượng và canng v canà một thuật ngữ rất phổ biến, tuy vậy cũng khụng cúthi p v o v t li u t i cỏc quy mụ nguyờn t , phõn t v ệu nano là một thuật ngữ rất phổ biến, tuy vậy cũng khụng cú à một thuật ngữ rất phổ biến, tuy vậy cũng khụng cú ệu nano là một thuật ngữ rất phổ biến, tuy vậy cũng khụng cú ại cỏc quy mụ nguyờn tử, phõn tử và đại phõn tử Tại ử, phõn tử và đại phõn tử Tại ử, phõn tử và đại phõn tử Tại à một thuật ngữ rất phổ biến, tuy vậy cũng khụng cú đú Để hiểu rừ khỏi niệm vật liệuại cỏc quy mụ nguyờn tử, phõn tử và đại phõn tử Tạii phõn t T iử, phõn tử và đại phõn tử Tại ại cỏc quy mụ nguyờn tử, phõn tử và đại phõn tử Tạicỏc quy mụ ú, tớnh ch t c a v t li u khỏc h n v i tớnh ch t c a chỳng t iđú Để hiểu rừ khỏi niệm vật liệu ất phổ biến, tuy vậy cũng khụng cú ủa vật liệu khỏc hẳn với tớnh chất của chỳng tại ệu nano là một thuật ngữ rất phổ biến, tuy vậy cũng khụng cú ẳn với tớnh chất của chỳng tại ới tớnh chất của chỳng tại ất phổ biến, tuy vậy cũng khụng cú ủa vật liệu khỏc hẳn với tớnh chất của chỳng tại ại cỏc quy mụ nguyờn tử, phõn tử và đại phõn tử Tạicỏc quy mụ l n.ới tớnh chất của chỳng tại

Cụng ngh nano: Hi u m t cỏch t ng quỏt nh t l cụng ngh t o ra cỏc v tệu nano là một thuật ngữ rất phổ biến, tuy vậy cũng khụng cú ể hiểu rừ khỏi niệm vật liệu ột thuật ngữ rất phổ biến, tuy vậy cũng khụng cú ổ biến, tuy vậy cũng khụng cú ất phổ biến, tuy vậy cũng khụng cú à một thuật ngữ rất phổ biến, tuy vậy cũng khụng cú ệu nano là một thuật ngữ rất phổ biến, tuy vậy cũng khụng cú ại cỏc quy mụ nguyờn tử, phõn tử và đại phõn tử Tại

li u, linh ki n v h th ng linh ki n cú cỏc tớnh ệu nano là một thuật ngữ rất phổ biến, tuy vậy cũng khụng cú ệu nano là một thuật ngữ rất phổ biến, tuy vậy cũng khụng cú à một thuật ngữ rất phổ biến, tuy vậy cũng khụng cú ệu nano là một thuật ngữ rất phổ biến, tuy vậy cũng khụng cú ốc thỡ: ệu nano là một thuật ngữ rất phổ biến, tuy vậy cũng khụng cú ch t m i, n i tr i nhất phổ biến, tuy vậy cũng khụng cú ới tớnh chất của chỳng tại ổ biến, tuy vậy cũng khụng cú ột thuật ngữ rất phổ biến, tuy vậy cũng khụng cú ờkớch thưới tớnh chất của chỳng tạic nanomet, đú Để hiểu rừ khỏi niệm vật liệuồng thời ng th i ờ đú Để hiểu rừ khỏi niệm vật liệu ề thuật ngữ đú Để hiểu rừ khỏi niệm vật liệui u khi n ến, tuy vậy cũng khụng cú đú Để hiểu rừ khỏi niệm vật liệuượng và canc cỏc tớnh ch t v ch cất phổ biến, tuy vậy cũng khụng cú à một thuật ngữ rất phổ biến, tuy vậy cũng khụng cú ứu về cỏc hiện tượng và can

n ng c a chỳng kớch thăng của chỳng ở kớch thước nano ủa vật liệu khỏc hẳn với tớnh chất của chỳng tại ở kớch thước nano ưới tớnh chất của chỳng tạic nano

V t li u nano: V t li u nano l ệu nano là một thuật ngữ rất phổ biến, tuy vậy cũng khụng cú ệu nano là một thuật ngữ rất phổ biến, tuy vậy cũng khụng cú à một thuật ngữ rất phổ biến, tuy vậy cũng khụng cú đú Để hiểu rừ khỏi niệm vật liệuốc thỡ: ượng và cani t ng c a hai l nh v c l khoaủa vật liệu khỏc hẳn với tớnh chất của chỳng tại ĩnh vực là khoa ực là khoa à một thuật ngữ rất phổ biến, tuy vậy cũng khụng cú

h c nano v cụng ngh nano, nú liờn quan ọc nano, và à một thuật ngữ rất phổ biến, tuy vậy cũng khụng cú ệu nano là một thuật ngữ rất phổ biến, tuy vậy cũng khụng cú đú Để hiểu rừ khỏi niệm vật liệuến, tuy vậy cũng khụng cún hai l nh v c trờn L m tĩnh vực là khoa ực là khoa à một thuật ngữ rất phổ biến, tuy vậy cũng khụng cú ột thuật ngữ rất phổ biến, tuy vậy cũng khụng cú

t p h p h t s c a d ng cỏc lo i v t li u kớch thợng và can ến, tuy vậy cũng khụng cú ứu về cỏc hiện tượng và can đú Để hiểu rừ khỏi niệm vật liệu ại cỏc quy mụ nguyờn tử, phõn tử và đại phõn tử Tại ại cỏc quy mụ nguyờn tử, phõn tử và đại phõn tử Tại ệu nano là một thuật ngữ rất phổ biến, tuy vậy cũng khụng cú ưới tớnh chất của chỳng tạic nanomet ( 1nm = 10-9m) v cú cỏc tớnh ch t m i do hi u ng kớch thà một thuật ngữ rất phổ biến, tuy vậy cũng khụng cú ất phổ biến, tuy vậy cũng khụng cú ới tớnh chất của chỳng tại ệu nano là một thuật ngữ rất phổ biến, tuy vậy cũng khụng cú ứu về cỏc hiện tượng và can ưới tớnh chất của chỳng tạic qui inh, ú l s nđú Để hiểu rừ khỏi niệm vật liệu đú Để hiểu rừ khỏi niệm vật liệu à một thuật ngữ rất phổ biến, tuy vậy cũng khụng cú ản

h m c a s l p ghộp cỏc chi ti t m c ủa vật liệu khỏc hẳn với tớnh chất của chỳng tại ực là khoa ắp ghộp cỏc chi tiết ở mức độ phõn tử, với khoảng cỏch vài ến, tuy vậy cũng khụng cú ở kớch thước nano ứu về cỏc hiện tượng và can đú Để hiểu rừ khỏi niệm vật liệuột thuật ngữ rất phổ biến, tuy vậy cũng khụng cú phõn t , v i kho ng cỏch v iử, phõn tử và đại phõn tử Tại ới tớnh chất của chỳng tại ản à một thuật ngữ rất phổ biến, tuy vậy cũng khụng cú

ph n tri u milimet, õy l cụng nghờ siờu nh v ần biết hai khỏi niệm cú ệu nano là một thuật ngữ rất phổ biến, tuy vậy cũng khụng cú đú Để hiểu rừ khỏi niệm vật liệu à một thuật ngữ rất phổ biến, tuy vậy cũng khụng cú ỏ và được coi là cụng nghệ à một thuật ngữ rất phổ biến, tuy vậy cũng khụng cú đú Để hiểu rừ khỏi niệm vật liệuượng và canc coi l cụng nghà một thuật ngữ rất phổ biến, tuy vậy cũng khụng cú ệu nano là một thuật ngữ rất phổ biến, tuy vậy cũng khụng cú

c a th k 21 ủa vật liệu khỏc hẳn với tớnh chất của chỳng tại ến, tuy vậy cũng khụng cú # Đặc tớnh của nú khụng những cho phộp thu nhỏ cỏc thiết bị,c tớnh c a nú khụng nh ng cho phộp thu nh cỏc thi t b ,ủa vật liệu khỏc hẳn với tớnh chất của chỳng tại ữ rất phổ biến, tuy vậy cũng khụng cú ỏ và được coi là cụng nghệ ến, tuy vậy cũng khụng cú ị,mỏy múc m cũn giỳp cỏc nh khoa h c tỡm à một thuật ngữ rất phổ biến, tuy vậy cũng khụng cú à một thuật ngữ rất phổ biến, tuy vậy cũng khụng cú ọc nano, và đú Để hiểu rừ khỏi niệm vật liệuượng và canc gi i h n c n b n c aới tớnh chất của chỳng tại ại cỏc quy mụ nguyờn tử, phõn tử và đại phõn tử Tại ăng của chỳng ở kớch thước nano ản ủa vật liệu khỏc hẳn với tớnh chất của chỳng tại

s thu nh y.ực là khoa ỏ và được coi là cụng nghệ ất phổ biến, tuy vậy cũng khụng cú

Công nghệ nano bao gồm việc thiết kế, chế tạo và ứng dụng các cấutrúc, thiết bị hay hệ thống ở kích thớc nanomet( 1nm = 10-9m)

Hình 4 Hình ảnh cấu trúc không gian của vật liệu nano

Về trạng thái của vật liệu ngời ta chia ra làm ba trạng thái rắn, lỏng,khí Vật liệu nano đợc tập trung nghiên cứu hiện nay chủ yếu là vật liệu rắn,sau đó mới đến chất lỏng và khí

Vật liệu nano đợc chế tạo bằng hai phơng pháp:

- Phơng pháp từ trên xuống (top- down)

- Phơng pháp từ dới lên (bottom- up)

1.3.2.1 Phơng pháp từ trên xuống

Là phơng pháp tạo hạt kích thớc nano từ các hạt có kích thớc lớn hơn

Nguyên lý: Dùng kỹ thuật nghiền và biến để biến dạng vật liệu thể khốivới tổ chức hạt thô thành cỡ hạt kích thớc nano Đây là các phơng pháp đơngiản, rẻ tiền nhng rất hiệu quả, có thể tiến hành cho nhiều loại vật liệu vớikích thớc khá lớn( ứng dụng làm vật liệu kết cấu) Trong phơng pháp nghiền,vật liệu ở dạng bột đợc trộn lẫn với những viên bi làm từ các vật liệu rất cứng

và đặt trong một cái cối Máy nghiền có thể nghiền lắc, nghiền rung hoặcnghiền quay (còn gọi là nghiền kiểu hành tinh) Các viên bi cứng va vào nhau

và phá vỡ bột đến kích thớc nano Kết quả thu đợc là vật liệu nano khôngchiều (các hạt nano) Phơng pháp biến dạng đợc sử dụng với các kỹ thuật đặcbiệt nhằm tạo sự biến dạng cỡ lớn(có thể >10) mà không làm phá hủy vật liệu.Nhiệt độ có thể điều chỉnh tùy thuộc vào từng trờng hợp cụ thể Nếu nhiệt độgia công lớn hơn nhiệt độ kết tinh lại thì đợc gọi là biến dạng nóng, còn ngợclại thì đợc gọi là biến dạng nguội Kết quả thu đợc là các vật liệu nano mộtchiều (dây nano) hoặc hai chiều (lớp có chiều dày nm)

1.3.2.2 Phơng pháp từ dới lên

Nguyên lý: Hình thành vật liệu nano từ các nguyên tử hoặc ion Phơngpháp từ dới lên đợc phát triển rất mạnh mẽ vì tính linh động và chất lợng sảnphẩm cuối cùng Phơng pháp từ dới lên có thể là phơng pháp vật lý, hóa họchoặc kế hợp cả hai phơng pháp hóa- lý

Khoa Công nghệ Hóa 15 Lê Thị Ngà

a Phơng pháp vật lý: Là phơng pháp tạo vật liệu nano từ nguyên tử hoặc

chuyển pha Nguyên tử để hình thành vật liệu nano đợc tạo ra từ phơng phápvật lý: bốc bay nhiệt (đốt, phun xạ, phóng điện hồ quang) Phơng pháp chuyểnpha: vật liệu đợc nung nóng rồi cho nguội với tốc độ nhanh để thu đợc trạngthái vô định hình – tinh thể (kết tinh) (phơng pháp nguội nhanh) Phơng phápvật lý thờng đợc dùng để tạo các hạt nano, màng nano

b Phơng pháp hóa học: Là phơng pháp tạo vật liệu nano từ các ion Phơng

pháp hóa học có đặc điểm là rất đa dạng vì tùy thuộc vào vật liệu cụ thể màngời ta phải thay đổi kỹ thuật chế tạo cho phù hợp Tuy nhiên chúng ta vẫn cóthể phân loại các phơng pháp hóa học thành hai loại: hình thành vật liệu nano

từ pha lỏng( phơng pháp kết tủa , sol- gel, ) và từ pha khí( nhiệt phân, )

Ph-ơng pháp này có thể tạo cac hạt nano, dây nano, ống nano, bột nano

c Phơng pháp kết hợp: Là phơng pháp chế tạo vật liệu nano dựa trên nguyên

tắc vật lý và hóa học nh: điện phân, ngng tụ từ pha khí, Phơng pháp này cóthể tạo các hạt nano, dây nano, ống nano, bột nano,

1.3.3 Những ứng dụng của vật liệu nano

Nhờ vào kích thớc nhỏ, những cấu trúc nano có thể đóng gói chặt lại và

do đó làm tăng tỷ trọng trong gói Tỷ trọng trong gói cao có các điểm lợi: tốc

độ xử lý và khả năng chứa thông tin tăng, có tiềm năng cho việc điều chếnhững vật liệu với tỷ trọng cao và tỷ số của diện tích bề mặt trên thể tích cao

Trong các ngành công nghiệp hiện nay, đã đa công nghệ nano vào ứngdụng,tạo các sản phẩm có tính cạnh tranh nh sản xuất con chip có dung lợnglớn, tốc độ xử lý nhanh

Trong y học ngời ta sử dụng để đa các phân tử thuốc vào đúng các tế bào ung

th Nhiều loại thuốc,mỹ phẩm có chứa các loại hạt nano để làm thẩm mỹ vàbảo vệ da Đặc biệt trong lĩnh vực hóa học, các hạt nano còn đợc ứng dụngvào việc giải quyết các vấn đề mang tính toàn cầu nh thực trạng ô nhiễm môitrờng, sản xuất vật liệu cao cấp