Luận văn thạc sĩ về thu hồi và ứng dụng kẽm carbon từ pin sơ cấp đã qua sử dụng

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu thu hồi và ứng dụng kẽm carbon từ pin sơ cấp đã qua sử dụng, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.

• Tác giả: Nguyễn Thị Kim Liên
• Người hướng dẫn: GS. Võ Viễn
• Trường học: Trường Đại học Quy Nhơn
• Chuyên ngành: Hóa vô cơ
• Đề tài: Nghiên cứu thu hồi và ứng dụng kẽm, carbon từ pin sơ cấp đã qua sử dụng
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Quy Nhơn

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ
• PHẦN MỞ ĐẦU
• 0.1. Lý do chọn đề tài
• 0.2. Mục tiêu nghiên cứu
• 0.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 0.4. Nội dung nghiên cứu
• 0.5. Phương pháp luận và phương pháp nghiên cứu
• 0.6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
• 1.1. Tổng quan về pin kẽm – carbon
• 1.2. Lịch sử phát triển
• 1.3. Nguyên lý cấu tạo
• 1.4. Vật liệu ZnO và composite trên cơ sở ZnO
• 1.5. Đặc điểm cấu trúc và phương pháp tổng hợp ZnO
• 1.6. Ứng dụng của vật liệu ZnO và composite trên cơ sở ZnO
• 1.7. Vật liệu graphene oxide (GO) và composite trên cơ sở graphene oxide
• 1.8. Đặc điểm cấu trúc và phương pháp tổng hợp GO
• 1.9. Ứng dụng của vật liệu GO trong hấp phụ chất màu
• 1.10. Ứng dụng của vật liệu composite trên cơ sở GO trong hấp phụ màu
• 1.11. Vật liệu xúc tác quang
• 1.12. Khái niệm xúc tác quang
• 1.13. Cơ chế phản ứng xúc tác quang
• 1.14. Tiềm năng ứng dụng vật liệu xúc tác quang
• 1.15. Vật liệu composite ZnO/GO
• 1.16. Rhodamine B và tính chất
• 1.17. Độc tính của thuốc nhuộm RhB
• 1.18. Ứng dụng và tình hình sử dụng của RhB
• 1.19. Các phương pháp đặc trưng vật liệu
• 1.19.1. Phương pháp nhiễu xạ Ronghen (X-ray Diffraction, XRD)
• 1.19.2. Phương pháp hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscopy, SEM)
• 1.19.3. Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (Tranmission Electron Microscopy, TEM)
• 1.19.4. Phổ tán xạ năng lượng tia X (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy, EDX hay EDS)
• 1.19.5. Phương pháp phổ hồng ngoại (Infrared Spectroscopy, IR)
• 1.19.6. Phương pháp phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại khả kiến (UV-Visible Diffuse Reflectance Spectroscopy, UV-Vis DRS)
• 1.19.7. Phương pháp phổ huỳnh quang tia X (X-ray Flourescence Spectrometers, XRF)
• 2. THU HỒI VỎ KẼM VÀ CARBON TỪ PIN SƠ CẤP ĐÃ QUA SỬ DỤNG
• 2.1. Quy trình tháo gỡ pin bằng phương pháp bóc tách cơ học
• 3. TỔNG HỢP VẬT LIỆU VÀ VẬT LIỆU COMPOSITE
• 3.1. Tổng hợp vật liệu
• 3.2. Khảo sát hoạt tính quang xúc tác
• 3.3. Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ
• 3.4. Khảo sát hoạt tính xúc tác của vật liệu
• 3.5. Đánh giá năng lực quang điện hoá tách nước
• 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 4.1. Thành phần của pin
• 4.2. Khảo sát các thành phần nguyên tố vỏ kẽm trước khi thu hồi
• 4.3. Vật liệu ZnO thu hồi
• 4.3.1. Khảo sát thành phần các nguyên tố (XRF) của vật liệu ZnO thu hồi
• 4.3.2. Phổ nhiễu xạ tia X (XRD) của ZnO-T
• 4.4. Vật liệu GO thu hồi
• 4.4.1. Phổ nhiễu xạ tia X (XRD) của vật liệu GO thu hồi
• 4.4.2. Phổ dao động Raman của vật liệu GO thu hồi
• 4.5. Tổng hợp vật liệu composite nZnO/GO-T từ các vật liệu thu hồi
• 4.5.1. Khảo sát tỉ lệ khối lượng ZnO:GO trong composite chưa nung
• 4.5.2. Khảo sát sự ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến cấu trúc và tính chất của vật liệu composite ZnO/GO
• 4.6. Đánh giá hoạt tính xúc tác quang của vật liệu
• 4.7. Hoạt tính xúc tác của vật liệu thông qua phản ứng phân huỷ chất RhB trong dung dịch nước
• 4.8. Đánh giá năng lực xúc tác quang điện hoá tách nước của vật liệu
• PHẦN KẾT LUẬN
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH NGHÊN CỨU CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• QUYẾT ĐỊNH GIAO TÊN ĐỀ TÀI (BẢN SAO)

Tóm tắt

I. Tổng quan về pin kẽm carbon

Pin kẽm – carbon là loại pin khô truyền thống, được phát minh vào năm 1866 bởi Georges Leclanché. Đây là loại pin phổ biến nhất trên toàn cầu, thường được sử dụng trong các thiết bị như đèn pin, đồ chơi, và radio. Cấu tạo của pin bao gồm cực dương là hợp kim kẽm, cực âm là mangan dioxide, và chất điện phân là dung dịch amoni clorua bão hòa. Pin kẽm – carbon cung cấp điện áp từ 1,55V đến 1,7V, nhưng điện áp này sẽ giảm dần khi sử dụng. Việc sử dụng pin này ngày càng giảm do sự phát triển của các loại pin khác như pin kiềm, nhưng nó vẫn giữ vị trí quan trọng trong thị trường pin hiện nay.

1.1. Lịch sử phát triển

Pin kẽm – carbon đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển từ khi được phát minh. Được cấp bằng sáng chế lần đầu vào năm 1899, pin này đã được cải tiến nhiều lần để tăng hiệu suất và giảm độc tính. Các loại pin mới như pin kiềm đã xuất hiện và cung cấp hiệu suất tốt hơn, nhưng pin kẽm – carbon vẫn là một lựa chọn kinh tế cho nhiều ứng dụng. Mặc dù có những hạn chế, pin này vẫn được sử dụng rộng rãi do giá thành thấp và tính khả dụng cao.

II. Quy trình thu hồi kẽm và carbon

Quy trình thu hồi kẽm và carbon từ pin đã qua sử dụng bao gồm nhiều bước quan trọng nhằm đảm bảo hiệu quả và an toàn môi trường. Đầu tiên, pin được thu gom và phân loại để xác định loại pin kẽm – carbon. Sau đó, thực hiện quy trình tháo gỡ pin bằng phương pháp bóc tách cơ học, giúp tách rời các thành phần như vỏ kẽm và lõi carbon. Các thành phần này sau đó sẽ được xử lý để chiết xuất kẽm và carbon, phục vụ cho các ứng dụng tái chế và sản xuất vật liệu mới.

2.1. Phương pháp thu hồi

Phương pháp thu hồi kẽm từ pin sơ cấp đã qua sử dụng thường sử dụng công nghệ thủy nhiệt để chiết xuất kẽm từ vỏ pin. Quá trình này không chỉ giúp thu hồi kim loại mà còn giảm thiểu chất thải và ô nhiễm môi trường. Lõi carbon cũng được thu hồi và xử lý để tổng hợp graphene oxide, một vật liệu có nhiều ứng dụng trong lĩnh vực công nghệ cao và môi trường. Việc tái chế kẽm và carbon từ pin không chỉ giúp bảo vệ môi trường mà còn cung cấp nguồn nguyên liệu quý giá cho ngành công nghiệp.

III. Ứng dụng của kẽm và carbon đã thu hồi

Kẽm và carbon thu hồi từ pin có nhiều ứng dụng quan trọng trong công nghiệp và nghiên cứu. Kẽm có thể được sử dụng để sản xuất vật liệu ZnO, một chất xúc tác quan trọng trong nhiều phản ứng hóa học. Carbon, đặc biệt là dưới dạng graphene oxide, có tính chất điện và nhiệt tốt, được ứng dụng trong các lĩnh vực như điện tử, năng lượng và môi trường. Việc ứng dụng các vật liệu này không chỉ giúp phát triển công nghệ mà còn đóng góp vào việc bảo vệ tài nguyên thiên nhiên và môi trường.

3.1. Tính chất và ứng dụng của vật liệu thu hồi

Vật liệu ZnO và graphene oxide thu hồi từ pin có nhiều tính chất nổi bật. ZnO được biết đến với khả năng xúc tác quang và ứng dụng trong lĩnh vực năng lượng mặt trời. Graphene oxide với cấu trúc hai chiều có tính dẫn điện và dẫn nhiệt cao, được sử dụng trong sản xuất pin lithium và các thiết bị điện tử. Việc ứng dụng các vật liệu này không chỉ giúp tăng cường hiệu suất mà còn giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường, nhấn mạnh vai trò quan trọng của việc thu hồi và tái chế.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển công nghiệp hóa và đô thị hóa nhanh chóng tại Việt Nam, lượng chất thải rắn sinh hoạt và công nghiệp ngày càng gia tăng, trong đó pin sơ cấp đã qua sử dụng là một nguồn thải độc hại tiềm ẩn nguy cơ ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Ước tính, pin kẽm – carbon và pin alkaline chiếm khoảng 80% tổng lượng pin khô thải ra môi trường, chứa hàm lượng kim loại Zn từ 12 – 28% và Mn từ 26 – 45% tổng khối lượng bột trong pin. Việc xử lý và tái chế các thành phần này không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn góp phần bảo tồn tài nguyên kim loại quý hiếm. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là thu hồi và ứng dụng kẽm, carbon từ pin sơ cấp đã qua sử dụng, tập trung vào pin tiểu AA Panasonic HI-TOP, với phạm vi nghiên cứu bao gồm thu gom, phân loại pin, thu hồi vỏ kẽm và lõi carbon, tổng hợp vật liệu ZnO và graphene oxide (GO), cũng như tổng hợp composite ZnO/GO và khảo sát tính chất. Nghiên cứu được thực hiện trong điều kiện phòng thí nghiệm tại Trường Đại học Quy Nhơn, với ý nghĩa khoa học nhằm phát triển phương pháp thu hồi và tổng hợp vật liệu mới, đồng thời ứng dụng trong lĩnh vực xúc tác quang và năng lượng, góp phần phát triển bền vững môi trường và công nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

• Lý thuyết về pin kẽm – carbon và pin alkaline: Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và thành phần hóa học của pin sơ cấp, đặc biệt là vai trò của kẽm và mangan dioxide trong phản ứng điện hóa.
• Vật liệu ZnO và graphene oxide (GO): Đặc điểm cấu trúc tinh thể wurtzite của ZnO với năng lượng vùng cấm khoảng 3.3 eV, tính chất quang xúc tác và ứng dụng trong xử lý môi trường. GO là vật liệu 2D có cấu trúc mạng tổ ong, chứa nhiều nhóm chức oxy hóa, có khả năng hấp phụ và tương tác với các chất ô nhiễm hữu cơ.
• Mô hình composite ZnO/GO: Cơ chế tăng cường hoạt tính quang xúc tác nhờ sự kết hợp giữa ZnO và GO, giảm tái kết hợp electron – lỗ trống, tăng diện tích bề mặt và khả năng hấp thụ ánh sáng.
• Khái niệm và cơ chế xúc tác quang: Quá trình tạo cặp electron – lỗ trống quang sinh, phân tách và phản ứng oxy hóa khử trên bề mặt vật liệu xúc tác, ứng dụng trong phân hủy chất ô nhiễm hữu cơ như thuốc nhuộm Rhodamine B.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Pin tiểu AA Panasonic HI-TOP đã qua sử dụng thu gom tại các điểm thu gom địa phương.
• Phương pháp thu hồi: Tháo gỡ pin bằng phương pháp bóc tách cơ học, loại bỏ vỏ thép, màng nhựa, tách vỏ kẽm và lõi carbon.
• Tổng hợp vật liệu:
  • ZnO được tổng hợp từ vỏ kẽm bằng phương pháp thủy nhiệt, với các bước phản ứng hóa học và nung ở nhiệt độ 300, 400, 500 °C.
  • Graphene oxide được tổng hợp từ lõi carbon bằng phương pháp Hummers biến tính.
  • Composite ZnO/GO được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt, điều chỉnh tỉ lệ khối lượng ZnO:GO và nhiệt độ nung.
• Phân tích đặc trưng vật liệu: Sử dụng các kỹ thuật hiện đại như SEM, TEM để khảo sát hình thái và kích thước hạt; XRD để xác định cấu trúc tinh thể; EDS và XRF để phân tích thành phần hóa học; IR và UV-Vis DRS để xác định nhóm chức và năng lượng vùng cấm.
• Khảo sát hoạt tính quang xúc tác: Đánh giá khả năng phân hủy thuốc nhuộm Rhodamine B dưới ánh sáng LED 30W, sử dụng máy UV-Vis để đo nồng độ RhB theo thời gian.
• Timeline nghiên cứu: Quá trình thu hồi và tổng hợp vật liệu kéo dài khoảng 12 tháng, bao gồm thu thập mẫu, tổng hợp, phân tích và đánh giá hoạt tính.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

• Thành phần pin: Phân tích XRF cho thấy vỏ kẽm chứa hàm lượng Zn chiếm khoảng 25%, lõi carbon có thành phần chủ yếu là cacbon với tạp chất thấp.
• Cấu trúc vật liệu ZnO thu hồi: XRD xác định ZnO có cấu trúc wurtzite tinh khiết với kích thước hạt nano trung bình khoảng 33-35 nm, phù hợp cho ứng dụng xúc tác quang.
• Đặc điểm vật liệu GO thu hồi: Phổ Raman và XRD cho thấy GO có cấu trúc phân lớp với các nhóm chức oxy hóa phong phú, độ dày lớp đơn khoảng 1-2 nm.
• Composite ZnO/GO: Tỉ lệ ZnO:GO tối ưu là 10:1, nhiệt độ nung 300 °C cho vật liệu có hoạt tính quang xúc tác cao nhất, với hiệu suất phân hủy RhB đạt trên 90% sau 120 phút chiếu sáng.
• Hoạt tính xúc tác quang: Composite ZnO/GO thể hiện khả năng phân hủy RhB vượt trội so với ZnO hoặc GO đơn lẻ, với hằng số tốc độ phản ứng cao hơn khoảng 1.3 lần so với ZnO tinh khiết.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc thu hồi và tái sử dụng vỏ kẽm và lõi carbon từ pin sơ cấp là khả thi và hiệu quả. Cấu trúc nano wurtzite của ZnO thu hồi phù hợp với các ứng dụng xúc tác quang nhờ năng lượng vùng cấm thích hợp và kích thước hạt nhỏ giúp tăng diện tích bề mặt. GO thu hồi giữ được các nhóm chức oxy hóa cần thiết cho khả năng hấp phụ và tương tác với các chất ô nhiễm. Sự kết hợp ZnO và GO tạo thành composite dị cấu trúc giúp giảm thiểu tái kết hợp electron – lỗ trống, tăng hiệu suất quang xúc tác. So sánh với các nghiên cứu trước đây, hiệu suất phân hủy RhB của composite ZnO/GO trong nghiên cứu này tương đương hoặc vượt trội, chứng tỏ tính ứng dụng cao trong xử lý nước thải. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phân hủy RhB theo thời gian và bảng so sánh hằng số tốc độ phản ứng giữa các vật liệu.

Đề xuất và khuyến nghị

• Tăng cường thu gom và phân loại pin sơ cấp đã qua sử dụng nhằm đảm bảo nguồn nguyên liệu đầu vào chất lượng, nâng cao hiệu quả thu hồi kim loại và carbon, thực hiện trong vòng 6-12 tháng, do các cơ quan quản lý môi trường và doanh nghiệp thu gom thực hiện.
• Phát triển quy trình thu hồi Zn và carbon quy mô công nghiệp dựa trên phương pháp thủy nhiệt và Hummers biến tính, tối ưu hóa điều kiện phản ứng để nâng cao năng suất và chất lượng vật liệu, triển khai trong 1-2 năm, do các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ thực hiện.
• Ứng dụng vật liệu composite ZnO/GO trong xử lý nước thải công nghiệp nhằm phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ như thuốc nhuộm, thuốc trừ sâu, với mục tiêu giảm nồng độ ô nhiễm đạt chuẩn trong vòng 6 tháng đến 1 năm, do các nhà máy xử lý nước và các tổ chức môi trường thực hiện.
• Nâng cao nhận thức cộng đồng về tác hại của việc thải bỏ pin không đúng cách và khuyến khích tái chế pin, thông qua các chiến dịch truyền thông và chính sách hỗ trợ, thực hiện liên tục, do các cơ quan quản lý nhà nước và tổ chức xã hội đảm nhiệm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

• Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa vô cơ, Vật liệu và Môi trường: Nghiên cứu phương pháp thu hồi và tổng hợp vật liệu mới từ nguồn nguyên liệu tái chế, áp dụng trong các đề tài liên quan.
• Doanh nghiệp công nghệ và xử lý môi trường: Áp dụng quy trình thu hồi kim loại và carbon từ pin đã qua sử dụng, phát triển sản phẩm composite xúc tác quang phục vụ xử lý nước thải.
• Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Tham khảo dữ liệu khoa học để xây dựng chính sách thu gom, xử lý và tái chế pin, giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
• Người tiêu dùng và cộng đồng: Nâng cao nhận thức về tác hại của pin thải và lợi ích của việc tái chế, góp phần bảo vệ môi trường sống.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cần thu hồi kẽm và carbon từ pin sơ cấp đã qua sử dụng?
   Pin sơ cấp chứa kim loại độc hại và carbon có thể gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng nếu thải bỏ không đúng cách. Thu hồi giúp bảo vệ môi trường và tái sử dụng tài nguyên quý giá.

2. Phương pháp tổng hợp ZnO và GO từ pin thu hồi là gì?
   ZnO được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt từ vỏ kẽm, còn GO được tổng hợp bằng phương pháp Hummers biến tính từ lõi carbon, đảm bảo chất lượng vật liệu nano.

3. Composite ZnO/GO có ưu điểm gì trong xử lý ô nhiễm?
   Composite này giảm tái kết hợp electron – lỗ trống, tăng hiệu suất quang xúc tác, giúp phân hủy nhanh các chất ô nhiễm hữu cơ như thuốc nhuộm Rhodamine B dưới ánh sáng.

4. Hiệu quả phân hủy Rhodamine B của composite ZnO/GO ra sao?
   Composite ZnO/GO đạt hiệu suất phân hủy trên 90% sau 120 phút chiếu sáng, vượt trội hơn so với ZnO hoặc GO đơn lẻ, phù hợp cho ứng dụng xử lý nước thải.

5. Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tiễn?
   Có thể triển khai quy trình thu hồi và tổng hợp vật liệu quy mô công nghiệp, đồng thời ứng dụng composite trong các nhà máy xử lý nước thải, kết hợp với chính sách thu gom pin hiệu quả.

Kết luận

• Đã phát triển thành công quy trình thu hồi kẽm và carbon từ pin sơ cấp đã qua sử dụng, đặc biệt là pin tiểu AA Panasonic HI-TOP.
• Tổng hợp vật liệu ZnO và graphene oxide chất lượng cao từ nguyên liệu thu hồi, phù hợp cho ứng dụng xúc tác quang.
• Composite ZnO/GO thể hiện hoạt tính quang xúc tác vượt trội trong phân hủy thuốc nhuộm Rhodamine B, mở ra tiềm năng ứng dụng trong xử lý nước thải.
• Nghiên cứu góp phần bảo vệ môi trường, tiết kiệm tài nguyên và phát triển bền vững ngành công nghiệp tái chế pin.
• Đề xuất các giải pháp thu gom, xử lý và ứng dụng vật liệu thu hồi, hướng tới triển khai quy mô công nghiệp trong tương lai gần.

Hành động tiếp theo là mở rộng quy mô nghiên cứu, tối ưu hóa quy trình tổng hợp và thử nghiệm ứng dụng thực tế tại các nhà máy xử lý nước thải, đồng thời phối hợp với các cơ quan quản lý để xây dựng chính sách thu gom và tái chế pin hiệu quả.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1. Tổng quan về pin kẽm–carbon 1. Lịch sử phát triển Những loại pin này được sử dụng phổ biến nhất trên toàn thế giới trong đèn pin, đồ chơi, radio, đầu đĩa compact và máy ảnh kỹ thuật số.

Có ba loại: pin kẽm – carbon, pin kẽm clorua và pin kiềm. Tất cả đều cung cấp điện áp ban đầu từ 1,55V – 1,7 V, điện áp này giảm dần khi sử dụng đến điểm cuối khoảng 0,8V. Pin kẽm – carbon là loại pin khô đa năng truyền thống. Được phát minh bởi kỹ sư người Pháp – Georges Leclanché vào năm 1866, nó ngay lập tức trở thành một thành công về mặt thương mại với kích thước lớn nhờ các vật liệu cấu thành có sẵn với chi phí thấp.

Nó vẫn là loại pin khô rẻ nhất và có sẵn ở hầu hết mọi nơi. Cực dương của loại pin này là một tấm hợp kim kẽm hoặc “lon”, hợp kim chứa một lượng nhỏ chì, cadmium và thủy ngân. Chất điện phân bao gồm dung dịch amoni clorua bão hòa chứa khoảng 20% kẽm clorua. Cực âm được làm từ mangan dioxide không tinh khiết (thường được khai thác từ các mỏ chọn lọc ở Châu Phi, Brazil hoặc Mexico).

Hợp chất này được trộn với muội than và chất điện phân để tạo ra hỗn hợp cực âm ẩm, hoạt động được hình thành xung quanh thanh carbon, còn gọi là điện cực. Tất cả các loại pin này đều có cấu trúc bọc ngoài với vỏ kim loại để tiếp xúc điện. Mặc dù được cấp bằng sáng chế lần đầu tiên vào năm 1899, nhưng pin kẽm clorua thực sự là một phiên bản hiện đại của pin kẽm – carbon. Thành công về mặt thương mại của nó một phần là nhờ vào loại bỏ việc sử dụng amoni clorua.

Mangan dioxide của cực âm thường là sự pha trộn của mangan dioxide tổng hợp có độ tinh khiết cao với các loại tự nhiên. Pin kẽm clorua có khả năng hoạt động liên tục hơn pin kẽm – carbon, đặc biệt là trong các thiết bị cơ giới như đồ chơi. Việc sử dụng nó cũng ngày càng tăng vì nó có thể mang lại hiệu suất thỏa đáng mà không cần sử dụng thủy ngân và cadmium có độc tính cao trong hợp kim kẽm. Mật độ năng lượng cao nhất (W/cm2) của tế bào kẽm – mangan dioxide được tìm thấy trong pin có chất điện phân kiềm, cho phép tạo ra một kiểu kết cấu hoàn toàn khác.

Pin kiềm được thương mại hóa vào những năm 1950 và 7 hiện là loại pin gia dụng phổ biến nhất. Cực âm của hỗn hợp mangan dioxide – than chì rất tinh khiết và cực dương của hợp kim kẽm dạng bột được liên kết với chất điện phân kali hydroxit và được đặt trong một hộp thép. Kẽm của pin kiềm đời đầu chứa 6 đến 8% thủy ngân, nhưng các phiên bản ngày nay không chứa thêm thủy ngân để giảm tác động môi trường khi thải bỏ. Hơn nữa, pin kiềm còn cung cấp công suất cao hơn nhiều để vận hành đèn pin, đồ chơi, đầu đĩa compact và radio so với một trong hai hệ thống kẽm-mangan dioxide còn lại đã thảo luận ở trên.

Nguyên lý cấu tạo (Nguồn: https://bit.ly/496s0tt) Hình 1. Cấu tạo của pin sơ cấp Trong pin kẽm – carbon [85, 86], kẽm được sử dụng làm cực dương, mangan dioxide được sử dụng làm cực âm và amoni clorua được sử dụng làm chất điện phân chính nhưng có một số tỷ lệ kẽm clorua trong chất điện phân và than chì dạng bột giúp cải thiện độ dẫn điện. Trong pin kẽm clorua, kẽm được sử dụng làm cực dương, mangan dioxide được sử dụng làm cực âm và kẽm clorua được sử dụng làm chất điện phân. * Anode: Ở cả hai loại pin kẽm – carbon, trong quá trình phóng điện, cực dương kẽm tham gia vào phản ứng oxy hóa và mỗi nguyên tử kẽm tham gia phản ứng này sẽ giải phóng hai electron: Zn → Zn2+ + 2e 8 * Cathode Những electron này đi đến cực âm thông qua mạch tải bên ngoài.

Trong pin Leclanché, amoni clorua (NH4Cl) tồn tại trong hỗn hợp chất điện phân là NH4+ và Cl−. Ở cathode, MnO2 sẽ bị khử thành Mn2O3 khi phản ứng với ion amoni (NH4+). Ngoài Mn2O3, phản ứng này còn tạo ra amoniac (NH3) và nước (H2O). 2NH4+ + 2MnO2 + 2e → Mn2O3 + H2O + 2NH3 Nhưng trong quá trình hóa học này, một số ion amoni (NH4+) bị khử trực tiếp bởi các electron và tạo thành khí amoniac (NH3) và hydro (H2).

2NH4+ + 2e → 2NH3 + H2 Trong pin kẽm – carbon, khí amoniac này tiếp tục phản ứng với kẽm clorua (ZnCl2) để tạo thành kẽm amoni clorua (rắn) và khí hydro phản ứng với mangan dioxit để tạo thành dimangan trioxit (rắn) và nước. Hai phản ứng này ngăn chặn sự hình thành áp suất khí trong quá trình xả pin. ZnCl2 + 2NH3 → Zn(NH3)2Cl2 (s) 2MnO2 + H2 → Mn2O3 (s) + H2O Phản ứng tổng quát pin Zn + 2MnO2 + 2NH4Cl → Mn2O3 + Zn(NH3)2Cl2 + H2O Pin kẽm clorua là phiên bản cải tiến của pin kẽm – carbon. Pin kẽm clorua chỉ chứa bột kẽm clorua (ZnCl2) làm chất điện phân.

Pin này cung cấp nhiều dòng điện hơn, nhiều điện áp hơn và tuổi thọ cao hơn so với pin kẽm – carbon thông thường. Phản ứng ở cathode là MnO2 + H2O + e → MnO(OH) + OH− Phản ứng tổng quát là: Zn + 2MnO2 + ZnCl2 + 2H2O → MnO(OH) + 2Zn(OH)Cl 1. Vật liệu ZnO và composite trên cơ sở ZnO 1. Đặc điểm cấu trúc và phương pháp tổng hợp ZnO Trong những năm gần đây, kẽm oxide (ZnO) đã nổi lên trở thành một vật liệu hàng đầu đầy triển vọng trong lĩnh vực xúc tác quang với mục đích xử lý môi trường nhờ những đặc tính độc đáo của nó.

ZnO là một loại hợp chất bán dẫn II–VI (II – VI compound semiconductor) có năng lượng vùng cấm khá lớn khoảng 3.3eV và năng lượng liên kết exciton khoảng 60meV ở nhiệt độ phòng 9 [65]. ZnO có năng lượng vùng cấm và cơ chế của phản ứng quang xúc tác tương tự với TiO2. Tuy nhiên, khi xét đến hoạt tính quang xúc tác của TiO2 thì cần quan tâm đến yếu tố tỉ lệ thành phần pha anatase hoặc rutile vì các pha khác nhau của TiO2 sẽ có hoạt tính quang xúc tác khác nhau. Trong khi đó, khi tổng hợp ZnO bằng phương pháp thông dụng đều chỉ tạo ra ZnO pha Wurtzite.

Các dạng cấu trúc tinh thể của ZnO: (a) rocksalt, (b) zinc blende và (c) wurtzite [51] ZnO đã được xác định tồn tại ở 3 dạng cấu trúc là cấu trúc stonealt, wurtzite hoặc zinc blende được thể hiện ở Hình 1. Trong đó, các quả cầu màu xám biểu thị cho nguyên tử Zn và quả cầu màu đen biểu thị cho nguyên tử O. Cấu trúc dạng rocksalt của ZnO chỉ có thể được tạo ra dưới áp suất cao do đó ZnO với cấu trúc này khá hiếm, zinc blende chỉ kết tinh được trên đế có cấu trúc lập phương. Cấu trúc wurtzite ZnO có độ ổn định cao nhất trong số ba cấu trúc và cũng là cấu trúc phổ biến nhất của ZnO [19, 74].

ZnO có cấu trúc tinh thể wurtzite lục giác có thể tồn tại ở áp suất và nhiệt độ môi trường, với hai thông số mạng có giá trị lần lượt là 0,3296 nm và 0,52065 nm [19]. Cấu trúc không gian wurtzite lục giác ZnO thuộc nhóm không gian P63mc và có cấu trúc phi đối xứng tâm, khiến ZnO có tính áp điện và nhiệt điện [74]. Có thể quan sát thấy rằng ZnO wurtzite bao gồm các nguyên tử tạo thành các ô cơ sở hình lục giác xếp xen kẽ nhau dọc theo trục [20]. Trong trường hợp này, mỗi ion Zn2+ trong ô cơ sở được bao quanh bởi bốn ion O2- và ngược lại, các nguyên tử Zn và O tạo thành một tứ diện [29].

Sự phối trí tứ diện này sẽ tạo thành đối xứng cực theo chiều dọc theo trục lục giác gây ra hiệu ứng áp điện và phân cực 10 tự phát trong tinh thể ZnO wurtzite. Hiệu ứng phân cực là một trong những yếu tố chính ảnh hưởng đến sự phát triển tinh thể trong quá trình tổng hợp cấu trúc nano ZnO. Cấu trúc nano của ZnO rất quan trọng đối với phản ứng xúc tác quang vì nó sẽ quyết định các ứng dụng của chúng trong các lĩnh vực khác nhau. Cấu trúc nano của ZnO phù hợp sẽ cho phép quá trình đạt hiệu quả cao hơn và tăng cường khả năng thu hồi chất xúc tác quang trong giai đoạn sau xử lý.

Nhiều nghiên cứu trước đây đã nhằm mục đích tổng hợp ZnO với các cấu trúc nano khác nhau [32, 47]. Năng lượng vùng cấm và sự phân tách hạt tải điện của oxide bán dẫn phụ thuộc vào kích thước, pha tinh thể và độ kết tinh. Các nhà nghiên cứu đã dự đoán rằng năng lượng dải tần tỷ lệ nghịch với kích thước của các hợp chất bán dẫn dựa trên một mô hình đã được thiết lập [40]. Điều này ngụ ý rằng việc kiểm soát tốt các điều kiện chuẩn bị sẽ quyết định hiệu quả của xúc tác quang.

Có nhiều phương pháp khác nhau để tổng hợp ZnO nano. Năm 2008, Chen và cộng sự tiến hành tổng hợp ZnO bằng phương pháp kết tủa [14]. Trong nghiên cứu này, các kết tủa tiền chất của ZnO thu được bằng phương pháp kết tủa trực tiếp thông qua phản ứng giữa zinc nitrate (Zn(NO3)2) và ammonium carbonate ((NH4)2CO3) trong dung dịch nước với nồng độ thích hợp. Phân tích nhiễu xạ tia X cho thấy các kết tủa thu được là Zn4(CO3)(OH)6.

Sản phẩm cuối cùng được tạo ra là bột ZnO có kích thước nano. Bột ZnO nung được đặc trưng bởi phân tích XRD, Brunauer - Emmet - Teller (BET) và kính hiển vi điện tử quét (SEM). Kết quả XRD chỉ ra rằng bột ZnO được tổng hợp có cấu trúc wurtzite tinh khiết và kích thước hạt nano trung bình là khoảng 35,2 nm. Fang và cộng sự [21] đã tổng hợp được ZnO hình cầu và ZnO dạng bông hoa bằng phương pháp thủy nhiệt dẻo tương ứng ở 180oC và 160oC.

Sản phẩm được đặc trưng và xác nhận bởi các phương pháp phân tích hóa lý hiện đại. Các hoạt động quang xúc tác của các hạt ZnO đã được nghiên cứu bằng cách phân hủy methyl orange dưới sự chiếu xạ của ánh sáng UV. Kết quả cho thấy các chất ô nhiễm hữu cơ hầu như đã bị phân huỷ hoàn toàn sau khi chiếu tia UV. Những kết quả này chỉ ra rằng các hạt ZnO có các đặc tính quang học tốt và hoạt động quang xúc tác cao.

11 Phương pháp phân hủy nhiệt đã nổi lên như một phương pháp tổng hợp tiềm năng vì chi phí thấp có thể cung cấp sản xuất quy mô lớn mà không cần nguyên liệu thô đắt tiền và thiết bị phức tạp.