Đề tài: Công nghệ nano bạc

Công nghệ nano là ngành công nghệ liên quan đến việc thiết kế, phân tích, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng, kích thước trên quy mô nanômét (nm, 1 nm = 109 m) . Ở kích thước nano, vật liệu sẽ có những tính năng đặc biệt mà vật liệu truyền thống không có được đó là do sự thu nhỏ kích thước và việc tăng diện tích mặt ngoài.

I TỔNG QUAN VỀ HẠT NANO SẮT VÀ ỨNG DỤNG CỦA CHÚNG TRONG SINH HỌC

1.1 Giới thiệu về công nghệ nano

1.1.1 Khái niệm và nguồn gốc của công nghệ nano

Công nghệ nano là ngành công nghệ liên quan đến việc thiết kế, phân tích, chế tạo

và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng, kích thước trên quy mô nanômét (nm, 1 nm = 10-9 m) Ở kích thước nano, vật liệu sẽ có những tính năng đặc biệt mà vật liệu truyền thống không có được đó là do sự thu nhỏ kích thước và việc tăng diện tích mặt ngoài

Ý tưởng cơ bản về công nghệ nano được đưa ra bởi nhà vật lý học người Mỹ Richard Feynman vào năm 1959, ông cho rằng khoa học đã đi vào chiều sâu của cấu trúc vật chất đến từng phân tử, nguyên tử vào sâu hơn nữa Nhưng thuật ngữ “công nghệ nano” mới bắt đầu được sử dụng vào năm 1974 do Nario Taniguchi một nhà nghiên cứu tại trường đại học Tokyo sử dụng để đề cập khả năng chế tạo cấu trúc vi hình của mạch vi điện tử

1.1.2 Cơ sở khoa học của công nghệ nano

Công nghệ nano dựa trên những cơ sở khoa học chủ yếu sau:

- Chuyển tiếp từ tính chất cổ điển đến tính chất lượng tử: Đối với vật liệu vĩ mô gồm

rất nhiều nguyên tử, các hiệu ứng lượng tử được trung bình hóa với rất nhiều nguyên tử (1 µm3 có khoảng 1012 nguyên tử) và có thể bỏ qua các thăng giáng ngẫu nhiên Nhưng các cấu trúc nano có ít nguyên tử hơn thì các tính chất lượng tử thể hiện rõ ràng hơn

- Hiệu ứng bề mặt

Khi vật liệu có kích thước nhỏ thì tỉ số giữa số nguyên tử trên bề mặt và tổng số nguyên

tử của vật liệu gia tăng

Hiệu ứng bề mặt luôn có tác dụng với tất cả các giá trị của kích thước, hạt càng bé thì hiệu ứng càng lớn và ngược lại Ở đây không có giới hạn nào cả, ngay cả vật liệukhối

truyền thống cũng có hiệu ứng bề mặt, chỉ có điều hiệuứng này nhỏ thường bị bỏ qua Vì vậy, việc ứng dụng hiệuứng bề mặt của vật liệu nano tương đối dễ dàng

Bảng 1 cho biết một số giá trị điển hình của hạt nano hình cầu Với một hạt nano có đường kính 5 nm thì số nguyên tử mà hạt đó chứa là 4.000 nguyên tử, tí số f là 40 %, năng lượng bề mặt là 8,16×1011 và tỉ số năng lượng bề mặt trên năng lượng toàn phần là 82,2 % Tuy nhiên, các giá trị vật lí giảm đi một nửa khi kích thước của hạt nano tăng gấp hai lần lên 10nm

Bảng 1: Số nguyên tử và năng lượng bề mặt của hạt nano hình cầu.

Đường kínhhạt

nano

(nm)

Số nguyên tử Tỉsố nguyêntử

trênbề mặt(%)

Năng lượngbề mặt (erg/mol)

Nănglượng bềmặt/Năng lượngtổng (%)

- Kích thước tới hạn: Các tính chất vật lý, hóa học của các vật liệu đều có một giới hạn về kích thước Nếu vật liệu mà nhỏ hơn kích thước này thì tính chất của nó hoàn toàn bị thay đổi Người ta gọi đó là kích thước tới hạn Vật liệu nano có tính chất đặc biệt là do kích thước của nó có thể so sánh được với kích thước tới hạn của các tính chất của vật liệu

Bảng 2: Độ dài tới hạn của một số tính chất của vật liệu.

(nm)

Tính chất điện Bước sóngđiện tử 10-100

Quãng đường tự do trung bình không đàn hồi 1-100

Tính chất

quang

Bán kính khởi động đứt vỡ 1-100

Xúc tác Hình học topo bề mặt 1-10

1.2 Hạt nano sắt

1.2.1 Giới thiệu về sắt kim loại

Cấu hình electron của bạc: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d6

Bán kính nguyên tử Fe: 156pm

Bán kính ion sắt: nm

Bảng 2: Số nguyên tử sắt trong một đơn vị thể tích[14]

Kích thước của hạt nano sắt (nm) Số nguyên tử chứatrong đó

1 5 20

1.2.2 Các phương pháp chế tạo hạt nano kim loại

- Phương pháp ăn mòn laze: Phương pháp này sử dụng chùm tia laze với bước

sóng ngắn bắn lên vật liệu khối đặt trong dung dịch có chứa chất hoạt hóa bề mặt Các hạt

nano được tạo thành với kích thước khoảng 10 nm và được bao phủ bởi chất hoạt hóa bề mặt

- Phương pháp khử hóa học: Phương pháp này sử dụng các tác nhân hóa học để

khử ion kim loại thành kim loại Để các hạt phân tán tốt trong dung môi mà không bị kết

tụ thành đám, người ta sử dụng phương pháp tĩnh điện để làm cho bề mặt các hạt nano có cùng điện tích và đẩy nhau hoặc dùng phương pháp bao bọc bằng chất hoạt hóa bề mặt Các hạt nano tạo thành bằng phương pháp này có kích thước từ 10 nm đến 100 nm

- Phương pháp khử vật lý: Phương khử vật lí dùng các tác nhân vật lí như điện

tử, sóng điện từ năng lượng cao như tia gamm, tia tử ngoại, tia laser khử ion kim loại thành kim loại Dưới tác dụng của các tác nhân vật lí, có nhiều quá trình biến đổi của dung môi và các phụ gia trong dung môi để sinh ra các gốc hóa học có tác dụng khử ion thành kim loại

- Phương pháp khử hóa lý: Đây là phương pháp trung gian giữa hóa học và vật

lí Nguyên lí là dùng phương pháp điện phân kết hợp với siêu âm để tạo hạt nano Phương pháp điện phân thông thường chỉ có thể tạo được màng mỏng kim loại Trước khi xảy ra sự hình thành màng, các nguyên tử kim loại sau khi được điện hóa sẽ tạo các hạt nano bám lên điện cực âm Lúc này người ta tác dụng một xung siêu âm đồng bộ với xung điện phân thì hạt nano kim loại sẽ rời khỏi điện cực và đi vào dung dịch

- Phương pháp khử sinh học: Dùng vi khuẩn là tác nhân khử ion kim loại Người

ta cấy vi khuẩn MKY3 vào trong dung dịch có chứa ion bạc để thu được hạt nano bạc Phương pháp này đơn giản, thân thiện với môi trường và có thể tạo hạt với số lượng lớn

1.2.3 Giới thiệu về hạt nano sắt:

Kích thước hạt nano sắt trong khoảng 3- 50 nm ,các tinh thể hạt nano sắt có hình cầu và nối với nhau thành chuỗi.kiểu liên kết chuỗi này là do sự tương tác giữa các hạt kim loại

có từ tính với nhau

Anh Tem của hạt nano sắt

Trong lĩnh vực khoa học công nghệ nano ,sắt kim loại kích thước nano được quan tâm

nhiều nhất vì nó được ứng dụng rộng rãi trong đời sống.Nano sắt được dung nhiều trong công nghệ thông tin và truyền thông làm vật liệu chế tạo linh kiện điện tử và cảm biến Gần đây nano sắt được ứng dụng rộng rãi và rất hiệu quả trong xử lý nước và cá chất độc hại.Nano sắt được các nhà khoa học gọi là thần dược vạn năng trong xử lý môi trường.Vì vậy trong những năm gần đây xu hướng chế tạo và ứng dụng nano sắt trong xử lý các chất độc hại được nhiều trường phái khoa học đặc biệt quan tâm

1.2.4 Phương pháp chế tạo hạt nano sắt:

Quy trình tổng hợp nano sắt kim loại :

Nano sắt kim loại được tổng hợp theo phương trình sau:

Sauk hi nghiên cứu khảo sát tỷ mỷ các điều kiện và nung nóng dung dịch ,tỷ lệ các chất tham gia phản ứng ,tốc độ khuấy và nhỏ giọt, đã chọn được các thông số tối ưu : nung nóng dung dịch NaBH4 là 0,25M,dung dịch FeCl3 là 0,045M ,tỉ lệ các tác nhân theo thể tích là 1:1.Nhờ có NaBH4dư,các tinh thể nano sắt tạo thành nhanh ,đồng đều và tránh được sự tạo thành oxit sắt trong quá trình tổng hợp.QUá trình tổng hợp được tiến hành như sau :Thêm từ từ dung dịch NaBH4 0,25M(tốc độ nhỏ giọt 50 giọt /1phut) vào dung dịch FeCl3.6H2O 0,04M với tỉ lệ 1:1 ,phản ứng được khuấy lien tục Tinh thể nano sắt tạo thành được được rửa (gạn ) sạch bằng nước cất Deion 3 – 5 lần ,lọc qua giấy lọc định lượng và sấy trong tủ sấy chân không ở nhiwwtj độ 400c trong 5h Sản phẩm được cho vào lọ kín giữ ở nhiệt độ thấp tránh ánh sang và không khí lọt vào tốt nhất là giữ trong môi trường khí trơ

II QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI CÔNG NGHIỆP

Công nghệ xử lý nước thải công nghệ trên cơ sở vật liệu nano kim loại hóa trị không:

Nhờ những đặc tính nổi trội về khả năng ôxi hóa khử của vật liệu nano kim loại hóa trị không khi cơ sở hạ tầng đáp ứng tốt thì hiệu suất xử lý tăng đáng kể

Điều kiện để áp dụng công nghệ:

- Dung tích bể đủ lưu giữ nước thải cần xử lý ≥ 4 giờ

- Hệ thống sục khí đủ , hạ tầng bơm, lắng đồng bộ

- Hóa chất đi kèm được sẵn sàng (xút, polime, nano kim loại hóa trị không, chất khử trùng)

Quy trình công nghệ có thể được diễn giải theo sơ đồ sau:

BỂ GOM BỂ TRUNG HÒA BỂ PHẢN ỨNG ÔXI HÓA KHỬ BỂ LẮNG BỂ HOÀN THIỆN KHỬ TRUNG

Lưu ý:

- Xút (NaOH) pha nồng độ 10% và có bơm định lượng, đầu dò tự động đồng bộ

điều chỉnh ở hai bể (trung hòa và hoàn thiện)

- Nano kim loại hóa trị không tính tương đương 1l/100m3 nước thải

- Sục khí đều ổn định ở ba bể (trung hòa, ôxi hóa khử, hoàn thiện)

- Polime kéo lắng nên dùng hỗn hợp hai loại PAC (10%) và PAA (1/1000)

- Khử trùng có thể dùng bằng Clorin hoặc không cần vì nano kim loại đã có tính

khử trùng cao

Đầu ra đạt xấp xỉ cận A theo tiêu chuẩn Từ đó điều chỉnh lưu lượng tối đa trên cơ

sở bể sục

III.Tiềm năng của khoa học Công Nghệ Nano

1 Tiềm năng thương mại và chế tạo

Hiện nay, trên thế giới các vật liệu và thiết bị nano bắt đầu được sản xuất với số lượng

ngày càng nhiều và được đánh giá là sẽ có tiềm năng thương mại cao, mang lại những

khoản lợi nhuận khổng lồ

XẢ RA MÔI TRƯỜNG XẤP XỈ CẬN A POLIME

pH 7,2 –7,4

SỤC

MÁY ÉP

Theo dự báo của Quỹ Khoa học Quốc gia, Mỹ, giá trị thương mại hàng năm giai đoạn 2011-2015 của tất cả các sản phẩm liên quan tới Công nghệ Nano ( bao gồm cả công nghệ thông tin và truyền thông ) là khoảng 1000 tỷ USD Các ôxit kim loại, như titan điôxit, kẽm ôxit, silic ôxit, nhôm ôxit, ziriconi và sắt ôxit là các loại hạt nano thương mại quan trọng nhất Các vật liệu này có sẵn ở dạng bột khô hoặc huyền phù lỏng Số lượng vật liệu được sử dụng trong lĩnh vực thị trường chăm sóc da ( titan điôxit, v.v… ) trên thế giới là khoảng 1000 - 2000 tấn/năm, với vật liệu cấu phần nano trị giá khoảng 10 USD đến 100000 USD/tấn Mặc dù thị trường thế giới về hạt nano được dự báo gia tăng trong vài năm tới, nhưng tốc độ sản xuất tất cả các hóa chất trên toàn cầu là khoảng 400 triệu tấn/năm (EC 2001) và như vậy các hóa chất dạng hạt nano chỉ chiếm một phần rất nhỏ trong tổng số hóa chất được sản xuất hiện nay ( khoảng 0,01% ) Bên cạnh đó, vật liệu vô

cơ, kim loại hoặc bán dẫn cỡ nano thường có nhiều chức năng, nên được sử dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp Ví dụ, kẽm ôxit được sử dụng làm vật liệu quang điện tử ( làm màn hình hoặc pin quang voltaic và pin mặt trời tiên tiến ) ở dạng cố định trong thành phẩm, nhiều hơn so với làm thành phần sản phẩm chăm sóc da có hạt nano ở dạng

tự do

2 Tiềm năng của khoa học - công nghệ nano trong công cuộc giảm đói nghèo toàn cầu Viện Nanotech Foresight, một cơ quan chuyên về lĩnh vực công nghệ Nano được thành lập năm 1986 của Mỹ, đã xác định những nhiệm vụ tổng thể của công nghệ nano đối với thế giới trong giai đoạn hiện nay, gồm:

- Đáp ứng nhu cầu năng lượng toàn cầu bằng những giải pháp sạch,

- Cung cấp nước sạch cho toàn cầu,

- Tăng sức khoẻ và tuổi thọ cho con người,

- Tối đa hoá sản xuất nông nghiệp,

- Làm cho công nghệ thông tin có mặt ở mọi nơi,

- Tạo điều kiện để phát triển hiểu biết về vũ trụ

Nhưng bên cạnh đó, khoa học và công nghệ Nano còn là một công cụ hữu hiệu để giải quyết một nhiệm vụ quan trọng, cấp bách nhất của thế giới Đó là làm giảm nạn đói nghèo mà hơn 5 tỷ người sống ở những nước nghèo đang phải đối mặt Các nhà khoa học cho rằng, hầu hết các làn sóng công nghệ đều làm tăng khoảng cách giữa các nước giàu với các nước nghèo, nhưng việc khai thác Công nghệ Nano lại là một cơ hội để thu hẹp khoảng cách này ứng dụng Công nghệ Nano có tiềm năng rất lớn để cải tiến những tiêu chuẩn sống cơ bản của những người nghèo

Bản Báo cáo về Phát triển Con người năm 2001 của Chương trình Phát triển Liên hiệp quốc (LHQ) đã minh hoạ rõ ràng vai trò làm giảm tỷ lệ tử vong và cải thiện đời sống con người của KH&CN trong giai đoạn 1960-1990, nhưng không nhấn mạnh đặc biệt tới vai trò của Công nghệ Nano Trong một bản báo cáo mới được công bố vào đầu năm 2005, Lực lượng đặc nhiệm về Khoa học, Công nghệ và Đổi mới của Liên hiệp quốc ( một bộ phận được thành lập để hỗ trợ cho các cơ quan của Liên hiệp quốc nhằm thực hiện được các Mục tiêu Phát triển Thiên niên kỷ của Liên hiệp quốc ) đã nêu bật tiềm năng to lớn của Công nghệ Nano đối với sự phát triển bền vững

Vậy cộng đồng khoa học quốc tế có thể làm gì để hỗ trợ cho việc ứng dụng công nghệ Nano ở các nước nghèo ? Năm 2002, Các Viện Y học Quốc gia (Mỹ) đã khái quát hoá một Lộ trình nghiên cứu y học để xác định những phương hướng trong nghiên cứu y-sinh

và chỉ ra y học nano là một trong những lĩnh vực hứa hẹn giải quyết những vấn đề mà các nước nghèo đang phải đối mặt Một số nhà khoa học từ Trung tâm Đạo đức Sinh học của trường Đại học Toronto và Chương trình Hệ gen và Y tế Toàn cầu Canađa, đã tiến hành một chương trình đánh giá tiềm năng sử dụng các ứng dụng của Công nghệ Nano để thực hiện 8 Mục tiêu Phát triển Thiên niên kỷ của Liên hiệp quốc bằng các phương pháp khoa học và đã rút ra được kết luận thể hiện ở bảng 5 Trong đó, 8 mục tiêu Phát triển Thiên niên kỷ là:

I - Xoá đói và giảm nghèo;

II - Phổ cập giáo dục;

III- Đẩy mạnh bình đẳng giới và trao quyền cho phụ nữ;

IV - Giảm tỉ lệ tử vong ở trẻ em;

V - Tăng cường sức khoẻ cho bà mẹ;

VI - Chống lại HIV/AIDS, sốt rét và các bệnh khác;

VII - Đảm bảo môi trường bền vững;

VIII - Xây dựng quan hệ đối tác toàn cầu để phát triển

Tài liệu tham khảo

1.Công nghệ nano Vi.wikipedia.org

http://vi.wikipedia.org/wiki/C%C3%B4ng_ngh%E1%BB%87_nano

2 Công nghệ nano và những ứng dụng trong thực tiễn, Trang 1

www.prt.vn/upload/Nghiencuu/ Congnghenano vaungdung.doc

3 Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 23 (2007) 253-256