Luận văn: Tổng hợp Nano Bạc/Fe3O4 từ lá sả chanh - Nguyễn Thị Thúy Diễm

Khám phá phương pháp tổng hợp nano bạc/Fe3O4 bằng dịch chiết lá sả chanh. Ứng dụng hiệu quả trong việc xử lý chất màu độc hại rhodamine B.

• Tác giả: Nguyễn Thị Thúy Diễm
• Người hướng dẫn: TS. Đinh Văn Tạc
• Trường học: Đại học Đà Nẵng, Trường Đại học Sư phạm
• Chuyên ngành: Hóa hữu cơ
• Đề tài: Nghiên Cứu Tổng Hợp Nano Bạc Trên Nền Vật Liệu Fe3O4 Bằng Dịch Chiết Lá Sả Chanh Và Ứng Dụng Xử Lý Rhodamine B
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Đà Nẵng

Tóm tắt

I. Giới Thiệu Nano Bạc Fe3O4 từ Lá Sả Chanh

Nano bạc kết hợp với Fe3O4 được chiết xuất từ lá sả chanh là một hướng tiếp cận mới trong xử lý ô nhiễm môi trường. Các hạt nano này kế thừa tính chất từ của Fe3O4 và hoạt tính khử độc của bạc, tạo nên một chất xúc tác hiệu quả. Quá trình tổng hợp sử dụng chiết xuất tự nhiên từ lá sả chanh làm tác nhân khử, giảm độc tính hóa chất và chi phí sản xuất. Vật liệu này đặc biệt hữu ích trong việc loại bỏ các chất nhuộm độc hại như Rhodamine B từ nước thải.

1.1. Đặc Điểm Cấu Trúc Nano Bạc Fe3O4

Cấu trúc nano bạc/Fe3O4 gồm lõi Fe3O4 từ tính được bao phủ bởi lớp bạc. Kích thước hạt nano thường từ 10-100 nm, giúp tăng diện tích bề mặt tương tác. Tính chất từ của Fe3O4 cho phép tách dễ dàng khỏi dung dịch bằng từ trường ngoài, tạo độ bền tái sử dụng cao.

1.2. Vai Trò Lá Sả Chanh trong Tổng Hợp

Lá sả chanh chứa nhiều hợp chất có hoạt tính sinh học như polyphenol và flavonoid. Những hợp chất này đóng vai trò như tác nhân khử tự nhiên, giúp chuyển đổi các ion bạc và sắt thành nanopartikel. Phương pháp sinh tổng hợp này thân thiện với môi trường, đảm bảo tính bền vững và giảm chất thải độc hại.

II. Cơ Chế Xử Lý Rhodamine B

Rhodamine B là một chất nhuộm xanh-tím độc hại, thường có mặt trong nước thải từ ngành dệt nhuộm và công nghiệp. Nano bạc/Fe3O4 loại bỏ Rhodamine B thông qua hai cơ chế chính: hấp phụ và phân hủy xúc tác. Các hạt nano có diện tích bề mặt lớn, cung cấp nhiều vị trí hấp phụ cho phân tử nhuộm. Đồng thời, bạc và Fe3O4 tạo ra các gốc tự do thúc đẩy quá trình oxidation-reduction.

2.1. Quá Trình Hấp Phụ Nhuộm

Quá trình hấp phụ Rhodamine B diễn ra nhanh trong 5-10 phút đầu. Các hạt nano bạc/Fe3O4 tương tác với phân tử nhuộm qua lực Van der Waals và các liên kết hydrogen. Hiệu suất hấp phụ đạt 85-95% tùy thuộc vào nồng độ chất nhuộm ban đầu, pH dung dịch và khối lượng chất xúc tác sử dụng.

2.2. Phân Hủy Xúc Tác Photocatalytic

Dưới tác động của ánh sáng, nano bạc/Fe3O4 kích hoạt quá trình photocatalysis. Fe3O4 hấp thụ photon và tạo cặp electron-lỗ, sinh ra các gốc OH• và O2•−. Những gốc tự do mạnh mẽ này tấn công cấu trúc phân tử Rhodamine B, phá vỡ từng liên kết và chuyển đổi thành các sản phẩm phân hủy vô hại như CO2 và H2O.

III. Điều Kiện Tối Ưu hóa và Hiệu Suất

Hiệu suất xử lý Rhodamine B phụ thuộc vào nhiều tham số như pH, nồng độ nhuộm, khối lượng xúc tác, thời gian phản ứng và cường độ ánh sáng. Nghiên cứu cho thấy pH tối ưu nằm trong khoảng 5-7, nơi nano bạc/Fe3O4 có hoạt tính cao nhất. Hiệu suất loại bỏ nhuộm có thể đạt 90-99% sau 60-120 phút xử lý với điều kiện photocatalytic. Ưu điểm nổi bật là khả năng tái sử dụng chất xúc tác lên đến 10 lần mà không giảm đáng kể hiệu suất.

3.1. Ảnh Hưởng của pH và Nồng Độ

pH dung dịch ảnh hưởng trực tiếp đến điện tích bề mặt của nano hạt và mức độ phân ly của Rhodamine B. Ở pH acid (5-6), hiệu suất loại bỏ tối ưu nhất. Nồng độ Rhodamine B ban đầu nên không vượt quá 50 mg/L để đảm bảo xúc tác hiệu quả. Khối lượng nano bạc/Fe3O4 tối ưu thường là 1-2 g/L.

3.2. Tác Động của Ánh Sáng và Thời Gian

Ánh sáng visible-light hoặc UV tăng tốc độ phân hủy Rhodamine B lên 3-5 lần so với xử lý trong tối. Thời gian phản ứng 90-120 phút đạt hiệu suất loại bỏ tối đa. Sau khi phản ứng, chất xúc tác có thể tách dễ dàng bằng từ trường, cho phép tái sử dụng và giảm chi phí xử lý lâu dài.

IV. Ứng Dụng và Triển Vọng Phát Triển

Nano bạc/Fe3O4 từ lá sả chanh có tiềm năng lớn trong xử lý nước thải công nghiệp, đặc biệt là từ ngành dệt nhuộm. Ngoài Rhodamine B, vật liệu này cũng hiệu quả trong loại bỏ các chất nhuộm khác như methylene blue, congo red. Phương pháp sinh tổng hợp sử dụng tài nguyên thiên nhiên giảm tác động môi trường và chi phí. Triển vọng tương lai bao gồm tối ưu hóa quy trình sản xuất quy mô lớn, kết hợp với các công nghệ xử lý khác, và ứng dụng trong lọc nước gia dụng.

4.1. Ứng Dụng Thực Tiễn trong Xử Lý Nước

Nano bạc/Fe3O4 được tích hợp vào hệ thống lọc nước với hiệu suất cao, an toàn và tái sử dụng. Áp dụng cho nước thải từ nhà máy dệt, in ấn, hóa mỹ phẩm. Chi phí xử lý giảm so với các phương pháp truyền thống như quá lộc hoạt tính hoặc xử lý hóa học. Tính linh hoạt trong điều chỉnh tham số xử lý cho phép ứng dụng linh hoạt cho các nguồn nước khác nhau.

4.2. Hướng Nghiên Cứu Tương Lai

Các nghiên cứu tiếp theo tập trung vào cải thiện hiệu suất bằng cách doping các nguyên tố khác (Ag, Au) hoặc tổng hợp các composite kép. Khám phá khả năng phân hủy các chất ô nhiễm phức tạp khác như thuốc, hormone, và chất gây ung thư. Phát triển quy trình sản xuất quy mô công nghiệp, thiết kế các thiết bị xử lý thực tế, và đánh giá tác động ngoài môi trường dài hạn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. Tổng quan về vật liệu 1. Giới thiệu sơ lược về nguyên tố bạc Bạc (silver) là một kim loại được sử dụng rộng rãi trong đời sống, được coi là kim loại quý bởi những đặc tính quý giá của nó. Bạc kí hiệu là Ag, là kim loại nằm ở ô thứ 47, chu kì 5, phân nhóm phụ nhóm IB trong bảng hệ thống tuần hoàn, có cấu hình electron là [Kr]4d105s1.

Số oxi hóa ở trạng thái ổn định nhất của bạc là +1. Kim loại bạc xuất hiện trong tự nhiên ở dạng nguyên chất, như bạc tự sinh, ở dạng hợp kim với vàng và các kim loại khác, và ở trong các khoáng vật như argentite và chlorargyrite [6]. Bạc là kim loại mềm, đàn hồi, dễ uốn (cứng hơn vàng một chút), hóa trị một, dùng để đúc tiền và có màu trắng kim loại bóng nếu bề mặt được đánh bóng kỹ. Độ dẫn điện của bạc là tốt nhất trong số các kim loại, cao hơn đồng, nhưng do giá thành cao hơn nên nó không được sử dụng rộng rãi trong chế tạo dây dẫn điện như đồng.

Bạc nguyên chất có độ dẫn nhiệt cao nhất, màu trắng nhất, độ phản xạ cao nhất (mặc dù nó phản xạ tia cực tím rất kém) và có điện trở thấp nhất trong tất cả các kim loại. Muối halogenua bạc rất nhạy cảm với ánh sáng và sẽ tạo ra hiệu ứng rõ rệt khi tiếp xúc với ánh sáng. Kim loại bạc ổn định trong không khí và nước sạch nhưng mất độ bóng trong ozone, acid hydrochloric hoặc không khí chứa lưu huỳnh. Các hợp chất của bạc được sử dụng trong phim ảnh, bạc nitrate loãng được sử dụng làm chất khử trùng và bạc đã được nghiên cứu rộng rãi vì nhiều ứng dụng kháng khuẩn trong y học [4,6].

Trong y học, bạc được dùng làm băng vết thương và dùng làm chất phủ kháng sinh trong các thiết bị y tế. Băng vết thương có chứa bạc sulfadiazine hoặc vật liệu nano bạc được sử dụng để điều trị nhiễm trùng bên ngoài. Bạc cũng được sử dụng trong một số ứng dụng y tế như ống thông tiểu (có bằng chứng sơ bộ cho thấy nó có thể làm giảm nhiễm trùng đường tiết niệu liên quan đến ống thông) và ống thở nội khí quản (có bằng chứng cho thấy nó có thể làm giảm viêm phổi liên quan đến máy thở). Bạc ion (Ag+) có hoạt tính sinh học và có thể tiêu diệt vi khuẩn trong ống nghiệm ở nồng độ đủ.

Ngoài ra hiện nay việc tổng hợp nano bạc từ các dịch chiết thực vật được các nhà khoa học quan tâm đến với ứng dụng nghiên cứu để xử lý các nước thải trước khi 5 thải ra ngoài môi trường [10,20]. Giới thiệu sơ lược về vật liệu Fe3O4 Oxide sắt từ có công thức phân tử Fe3O4 là vật liệu từ tính đầu tiên mà con người biết đến. Từ thế kỷ IV người Trung Quốc đã khám phá ra rằng Fe3O4 tìm thấy trong các khoáng vật tự nhiên có khả năng định hướng dọc theo phương Bắc Nam địa lý. Đến thế kỷ XII, họ đã sử dụng vật liệu Fe3O4 để làm la bàn, một công cụ giúp xác định phương hướng rất có ích.

Trong tự nhiên oxide sắt từ không những được tìm thấy trong các khoáng vật mà được tìm thấy trong các cơ thể sinh vật như: vi khuẩn Apuaspirillum magnetotacticum, ong, mối, chim bồ câu … Chính sự có mặt của Fe3O4 trong cơ thể các sinh vật này đã tạo nên khả năng xác định phương hướng mang tính bẩm sinh của chúng [5,8]. Quặng manhetit có hàm lượng sắt cao nhất được dùng trong ngành luyện gang, thép. Fe3O4 hạt nano được dùng để đánh dấu tế bào và xử lí nước bị nhiễm bẩn. Một số thuộc tính đặc trưng của Fe3O4 Thuộc tính Công thức phân tử FeO.Fe2O3 hoặc Fe3O4 Khối lượng mol 231,5386 g/mol Bề ngoài Bột màu đen Khối lượng riêng 5,17 g/ cm3 Điểm nóng chảy 1597 (1870 K; 2907 oF) Điểm sôi 2623 oC (2896 K; 4753 oF) Chiết suất (nD) 2,42 Có nhiều phương pháp chế tạo hạt nano oxide sắt từ tính như: + Phương pháp nghiền: Vật liệu từ tính được nghiền cùng với chất hoạt động bề mặt (acid oleic,.) và dung môi (dầu, n-hexan,.

Ở đây, chất hoạt động bề mặt giúp quá trình nghiền trở nên dễ dàng và ngăn các hạt kết tụ lại với nhau. Sản phẩm nghiền trải qua quá trình tách hạt rất phức tạp để thu được các hạt tương đối đồng đều. + Phương pháp đồng kết tủa: cho phép tạo ra các hạt nano từ tính có kích thước và tính chất từ khác nhau bằng việc điều chỉnh các điều kiện thí nghiệm. Các hạt Fe3O4 được tổng hợp bằng phương pháp này có kích thước từ vài nanomet đến vài chục nanomet, đồng thời đảm bảo được tính đồng nhất hóa học và hoạt tính cao của sản phẩm 6 tạo thành.

Phương pháp này có ưu điểm nổi trội như: quy trình đơn giản, phản ứng xảy ra nhanh, có thể tạo ra hạt có độ đồng nhất và độ phân tán cao. Tuy nhiên, phương pháp này có nhược điểm là sản phẩm hạt nano tạo thành có độ từ hóa thấp và dễ bị kết tụ [11]. + Phương pháp hóa siêu âm: là phương pháp tổng hợp hóa học dưới sự hỗ trợ của sóng siêu âm. Muối sắt (II) acetate được cho vào trong nước cất hai lần rồi cho chiếu xạ siêu âm với công suất khoảng 200 W trong 2 giờ trong môi trường bảo vệ.

Sóng siêu âm được tác dụng dưới dạng xung để tránh hiện tượng quá nhiệt do siêu âm tạo ra. Khi tác dụng siêu âm, trong dung dịch sẽ xuất hiện các chất có tính khử và tính oxi hóa như H2, H2O2. Các sản phẩm trung gian năng lượng cao có thể là HO2 (superoxide), hydrogen nguyên tử, hydroxyl và điện tử. Các chất này sẽ oxi hóa muối sắt và biến chúng thành magnetite Fe3O4.

Sau khi phản ứng xảy ra, ta thu được hạt nano Fe3O4 [11]. Giới thiệu sơ lược về vật liệu Ag/Fe3O4 Vật liệu composite Ag/Fe3O4 được một số nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm nghiên cứu. Có nhiều phương pháp khác nhau để phân tán Ag lên trên bền mặt Fe3O4. Từ các nguyên liệu là nguồn phụ phẩm xơ dừa được thu mua từ tỉnh Bến Tre, Vũ Năng An cùng với các cộng sự đã tổng hợp nanocomposite Ag/Fe3O4/CNC thành công bằng phương pháp thủy nhiệt đơn giản và thân thiện với môi trường, khi có mặt NaBH4 sau 2 phút lượng Methylene Blue bị phân hủy đến 85% [11].

Vật liệu nano Ag/Fe3O4 lai được chế tạo bằng phương pháp nuôi mầm bởi Nguyễn Thị Ngọc Linh và cộng sự vào năm 2020. Hệ nano lai cấu trúc core - shell Ag/Fe3O4 với kích thước hạt 15,8 nm được tổng hợp thành công trong dung môi hữu cơ bằng phương pháp nuôi mầm. Vật liệu chế tạo được đáp ứng từ tốt, có độ bền và ổn định cao. Nghiên cứu này mở đường cho việc ứng dụng các hạt nano lai Ag/Fe3O4 trong khử khuẩn như xử lý nguồn nước nhiễm khuẩn, có thể thu hồi và tái sử dụng liệu nhờ từ trường ngoài [5].

Gần đây, một số nghiên cứu đã chứng minh rằng các hạt nano Ag có thể nâng cao hiệu quả của quá trình nhiệt phân hủy [12]. Liu và cộng sự [13] đã báo cáo ảnh hưởng của tổ hợp Fe3O4 NPs và Ag NPs trong liệu pháp từ nhiệt trị và phát hiện ra rằng sự hiện diện của Ag NPs đã tăng cường khả năng làm chết tế bào ung thư cả trong in vitro và in vivo. Tuy nhiên, nhiệt sinh ra từ Fe3O4 NPs dưới tác dụng của từ trường chỉ có thể truyền đi trong khoảng cách rất ngắn và có tính cục bộ, và do đó, việc tách Fe3O4 7 NPs và Ag NPs có thể hạn chế độ nhạy của Ag NPs với hiện tượng tăng thân nhiệt do Fe3O4 NPs gây ra. Hiện nay, tổ hợp của Fe3O4 NPs và Ag NPs để tạo thành một cấu trúc kiểu lai dị thể (Fe3O4-Ag) hoặc lõi-vỏ (Fe3O4/Ag hay Ag/Fe3O4) được chứng minh giúp cải thiện các thuộc tính riêng lẻ của mỗi thành phần.

Bên cạnh đó, các cấu trúc này cũng làm giảm thiểu sự kết tụ và oxy hóa các hạt nano Fe3O4 [8]. Qua nghiên cứu tài liệu thấy rằng, việc nghiên cứu tổng hợp vật liệu composite Ag/Fe3O4 bằng phương pháp hóa học xanh sử dụng dịch chiết lá sả chanh và ứng dụng làm chất xúc tác cho việc xử lý nước thải dệt nhuộm là hướng nghiên cứu tiềm năng và có triển vọng. Tổng quan về lá sả chanh 1. Đặc điểm cây sả chanh Tên tiếng Việt: Cỏ sả, Lá sả, Sả chanh, Hương mao, Sả.

Tên khoa học: Cymbopogon citratus Stapf. Sả chanh loại cây mọc thành bụi, sống lâu năm cao từ 0,8 - 1,5 m. Thân cây có màu trắng hơi tím. Phiến lá dài khoảng 1 m, hẹp, mép lá hơi nhám, đầu lá hơi nhọn hơi rủ xuống, có màu xanh sáng và có mùi thơm nhẹ.

Bẹ lá cuốn chặt vào nhau, không có lông nhưng có sọc dọc. Hoa mọc thành nhiều cụm nhỏ không cuống. Sả chanh là một loại thảo mộc ở vùng nhiệt đới bắt nguồn từ Ấn Độ và Sri Lanka. Sả chanh được sử dụng rộng rãi ở các nước nhiệt đới và cận nhiệt đới, thích hợp với khí hậu ẩm ướt với điều kiện đầy đủ ánh sáng [4,6].

Hình ảnh cây sả chanh 8 Sả chanh chịu hạn tốt nhưng chịu nhiệt kém, cây sả phát triển tốt ở 22- 27 oC. Lượng mưa thích hợp là 1500-2000 mm/năm để sả được phát triển tốt nhất. Cây sả chanh là cây cần đủ ánh sáng để quang hợp và cho sự tích tụ tinh dầu trong tế bào. Ở nước ta cây sả chanh đã được trồng từ lâu với diện tích lớn ở cả hai miền Nam và Bắc.

Thành phần hóa học của lá cây sả chanh Sả chanh chứa 1-2 % tinh dầu màu vàng nhạt, thơm mùi chanh với thành phần chủ yếu là citral (65-85 %) và các thành phần khác (nerol geraniol, citronellal, terpinolen, geranyl acetat, và methylheptenon) thay đổi tuỳ từng loại sả. Mùi đặc trưng của sả do thành phần metylheptenon có trong tinh dầu. Thành phần hóa học và tỉ lệ phần trăm các hợp chất chứa trong dịch chiết lá sả chanh được trình bày ở Bảng 1. Thành phần hóa học của lá sả chanh Tên hợp chất Tỉ lệ phần trăm(%) Tinh dầu sả 0,2-0,5% Mcren 14% Cis-Citral 35% Trans-Citral 40% Methylheptenon 2% Gerany acetate 3% Geraniol 1% 1.

Công dụng của lá sả chanh Sả chanh được dùng chữa cảm sốt, đau bụng, đi ngoài, đầy hơi, trướng bụng, nôn mửa, trẻ em phong kinh, ho, viêm phổi, ngộ độc. Lá sả nấu nước gội đầu làm sạch gầu, trơn tóc, tránh bệnh về da đầu. Tinh dầu sả, dùng trừ muỗi, khử mùi tanh hôi, dùng xoa ngoài chống cúm phòng bệnh truyền nhiễm.