Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu chế tạo hạt nano sắt hóa trị 0 fe0 trong xử lý môi trường nước

• Tác giả: Nguyễn Thị Toàn
• Người hướng dẫn: TS. Trần Thị Minh Nguyệt
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Khoa Vật liệu và linh kiện nano
• Đề tài: Nghiên Cứu Chế Tạo Hạt Nano Sắt Hóa Trị 0 (Fe0) Cho Xử Lý Nước
• Loại tài liệu: khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. MỤC LỤC
• 1.1. Danh mục các bảng
• 1.2. Danh mục các hình vẽ, đồ thị
• 2. MỞ ĐẦU
• 3. CHƯƠNG 1: TÌNH HÌNH Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG NƯỚC VÀ ĐẤT
• 1.1. Tình hình ô nhiễm môi trường nước và đất
• 1.2. Hạt nano sắt
• 1.2.1. Sự khác nhau cơ bản giữa sắt và sắt nano
• 1.3. Các phương pháp xử lý nước ngầm
• 1.3.1. Phương pháp trao đổi ion
• 1.3.1.1. Ứng dụng của quá trình trao đổi ion
• 1.3.2. Phương pháp thẩm thấu ngược (RO)
• 1.3.3. Phương pháp điện thẩm tách
• 1.3.4. Phương pháp khử sinh học
• 1.4. Cơ chế xử lý các chất độc hại bằng nano Fe0
• 1.4.1. Phản ứng xử lý kim loại nặng
• 1.4.2. Phản ứng xử lý hợp chất chứa Clo
• 1.4.3. Phản ứng xử lý hợp chất chứa nitơ
• 1.4.4. Phản ứng khử vòng benzen, xử lý các hợp chất chứa nhân thơm
• 1.4.5. Phản ứng khử chất mang màu
• 4. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 4.1. Các phương pháp chế tạo vật liệu
• 4.1.1. Phương pháp nghiền
• 4.1.2. Phương pháp ăn mòn laser
• 4.1.3. Phương pháp vi nhũ tương (RM)
• 4.1.4. Phương pháp điện hóa
• 4.1.5. Khử pha lỏng
• 4.2. Các phương pháp nghiên cứu
• 4.2.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X
• 4.2.2. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM)
• 4.2.3. Phương pháp xác định bề mặt riêng (BET)
• 4.2.4. Phổ phản xạ khuếch tán UV-Vis-NIR (DRS)
• 4.2.5. Phương pháp tán xạ laser động (Dynamic Light Scattering)
• 5. THỰC NGHIỆM, KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 5.1. Công nghệ chế tạo vật liệu nano sắt
• 5.1.1. Công nghệ chế tạo vật liệu nano sắt Fe0 chưa bọc
• 5.1.1.1. Ảnh hưởng của pH dung dịch phản ứng
• 5.1.1.2. Ảnh hưởng của nồng độ FeCl3
• 5.1.1.3. Ảnh hưởng của tỷ lệ nồng độ NaBH4/FeCl3
• 5.1.1.4. Quy trình chế tạo hạt Fe0
• 5.1.2. Công nghệ chế tạo vật liệu nano sắt Fe0 bọc PMAA
• 5.2. Nghiên cứu các đặc trưng của hạt nano Fe0, Fe0/PMAA
• 5.2.1. Nghiên cứu các đặc trưng của hạt nano Fe0
• 5.2.1.1. Nghiên cứu cấu trúc vật liệu bằng phương pháp XRD, XRF
• 5.2.1.2. Xác định kích thước và hình thái học bằng phương pháp SEM
• 5.2.1.3. Xác định phân bố kích thước hạt bằng phương pháp DLS
• 5.2.1.4. Nghiên cứu vật liệu bằng phương pháp hấp phụ vật lý
• 5.2.2. Nghiên cứu các đặc trưng của hạt nano Fe0/PMAA
• 5.2.2.1. Xác định kích thước và hình thái học bằng phương pháp SEM
• 5.2.2.2. Xác định phân bố kích thước hạt và phân bố thế zeta bằng phương pháp DLS
• 5.3. Nghiên cứu hoạt tính xúc tác của hạt nano Fe0 và Fe0/PMMA trong phản ứng phân hủy xanh metylen
• 5.3.1. Sơ lược về xanh metylen (MB)
• 5.3.2. Phản ứng quang xúc tác phân hủy Xanh metylen của Fe0 và Fe0/PMMA
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tình hình ô nhiễm môi trường nước và đất

Ô nhiễm môi trường nước và đất đang trở thành một vấn đề nghiêm trọng trên toàn cầu. Các chất ô nhiễm xuất phát từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm việc sử dụng phân bón hóa học, thuốc bảo vệ thực vật và chất thải công nghiệp. Những chất này không chỉ gây hại cho hệ sinh thái mà còn ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Theo thống kê, hàm lượng kim loại nặng trong nước thải vượt quá tiêu chuẩn cho phép, gây ra nhiều bệnh tật nghiêm trọng. Việc sử dụng hạt nano sắt hóa trị 0 (Fe0) trong xử lý nước đã cho thấy hiệu quả cao trong việc loại bỏ các chất độc hại như asen, chì và các hợp chất hữu cơ. Sắt hóa trị 0 có khả năng khử mạnh, giúp chuyển hóa các chất ô nhiễm thành dạng không độc hại. Điều này mở ra hướng đi mới trong việc xử lý ô nhiễm môi trường nước.

1.1. Nguồn gốc ô nhiễm

Ô nhiễm nước có thể đến từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm nông nghiệp, công nghiệp và sinh hoạt. Việc sử dụng phân bón chứa nitrat và thuốc bảo vệ thực vật đã làm tăng nồng độ các chất độc hại trong nước. Các kim loại nặng như chì, arsen, và cadimi cũng là những tác nhân gây ô nhiễm nghiêm trọng. Những chất này không chỉ ảnh hưởng đến chất lượng nước mà còn gây ra các bệnh lý nghiêm trọng cho con người. Việc phát hiện và xử lý kịp thời các chất ô nhiễm này là rất cần thiết để bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

II. Hạt nano sắt và ứng dụng trong xử lý nước

Hạt nano sắt (Fe0) có kích thước siêu nhỏ, từ 1 đến 100 nm, mang lại nhiều ưu điểm vượt trội so với sắt thông thường. Chúng có khả năng hấp phụ tốt hơn, thẩm thấu dễ dàng qua các bề mặt và hoạt tính xúc tác cao. Nghiên cứu cho thấy, hạt nano sắt có thể xử lý hiệu quả các hợp chất độc hại trong nước như trichloroethene và các kim loại nặng. Quá trình chế tạo hạt nano sắt thường sử dụng phương pháp khử borohydride, cho phép tạo ra hạt có kích thước đồng đều và hiệu suất cao. Việc ứng dụng hạt nano sắt trong xử lý nước không chỉ giúp cải thiện chất lượng nước mà còn giảm thiểu chi phí và tác động đến môi trường.

2.1. Tính chất và cơ chế hoạt động

Hạt nano sắt có tính khử mạnh, cho phép chúng tham gia vào nhiều phản ứng hóa học để loại bỏ các chất ô nhiễm. Khi tiếp xúc với nước, Fe0 có thể phản ứng với oxy và các ion trong dung dịch, tạo ra các sản phẩm không độc hại. Cơ chế hoạt động của hạt nano sắt bao gồm hấp phụ, khử và phân hủy các hợp chất độc hại. Điều này giúp cải thiện hiệu quả xử lý nước, đồng thời giảm thiểu nguy cơ ô nhiễm thứ cấp.

III. Các phương pháp chế tạo hạt nano sắt

Có nhiều phương pháp chế tạo hạt nano sắt, trong đó phương pháp khử borohydride được sử dụng phổ biến nhất. Phương pháp này đơn giản, hiệu suất cao và cho ra sản phẩm có kích thước đồng đều. Ngoài ra, các phương pháp khác như nghiền, vi nhũ tương và điện hóa cũng được nghiên cứu. Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng, ảnh hưởng đến kích thước, hình thái và tính chất của hạt nano sắt. Việc lựa chọn phương pháp chế tạo phù hợp sẽ quyết định đến hiệu quả ứng dụng của hạt nano sắt trong xử lý nước.

3.1. Phương pháp khử borohydride

Phương pháp khử borohydride là một trong những phương pháp hiệu quả nhất để chế tạo hạt nano sắt. Quá trình này diễn ra trong môi trường nước, nơi borohydride được sử dụng như một tác nhân khử. Kết quả là tạo ra hạt nano sắt với kích thước nhỏ và đồng đều. Phương pháp này không chỉ đơn giản mà còn có thể điều chỉnh các thông số như pH và nồng độ ion để đạt được kích thước mong muốn. Điều này giúp tối ưu hóa hiệu suất xử lý nước của hạt nano sắt.