MỞ ĐẦU Xu hướng của khoa học ứng dụng hiện nay là nghiên cứu các đối tượng nhỏ bé có kích thước tiến đến kích thước của nguyên tử. Vật liệu có kích thước nanomet, thường được gọi là vật liệu nano gần đây đã trở thành một trong những hướng nghiên cứu nổi bật nhất trong lĩnh vực hóa học, vật lí và y học của thế giới. Các phương pháp tổng hợp vật liệu nano được phân chia thành phương pháp vật lí và phương pháp hóa học. Các phương pháp vật lí bao gồm phương pháp nhiệt hóa, phương pháp nhiệt phân dạng phun sương, phương pháp ngưng tụ pha, phương pháp nhiệt phân ngọn lửa… Phương pháp hóa học bao gồm một số phương pháp như thủy phân, kết tủa, phương pháp sol – gel, phương pháp tổng hợp đốt cháy… Vật liệu được tổng hợp bằng phương pháp hóa học có tính đồng nhất, kích thước hạt và hình thái học tốt hơn so với vật liệu được tổng hợp bằng phương pháp vật lí.
Trong số các phương pháp tổng hợp hóa học, phương pháp tổng hợp đốt cháy ngày càng chiếm vị trí quan trọng trong chế tạo vật liệu nano, vật liệu gốm mới, chất xúc tác, compozit. Quá trình tổng hợp được thực hiện trên cơ sở phản ứng oxi hóa – khử tỏa nhiệt giữa hợp phần kim loại và hợp phần không kim loại, quá trình phản ứng tạo ra nhiệt độ cao, diễn ra trong thời gian ngắn cho sản phẩm hạt có kích thước nanomet. Những đặc tính này làm cho tổng hợp đốt cháy trở thành một phương pháp hấp dẫn để sản xuất vật liệu với chi phí thấp hơn so với phương pháp khác. Vật liệu nano có diện tích bề mặt rất lớn cho phép các hạt nano tham gia phản ứng như là chất phản ứng hợp thức trong phản ứng hóa học, không giống như các khối chất rắn nên chúng là vật liệu lý tưởng để làm xúc tác cho các phản ứng hoá học.
Trong lĩnh vực xử lí môi trường, việc sử dụng các vật liệu nano làm chất hấp phụ được phát triển từ cuối thế kỷ XX. Những nghiên cứu đã công bố cho thấy oxit nano của kim loại chuyển tiếp như sắt, mangan, titan. có khả năng tách loại rất tốt các kim loại nặng và một số hợp chất hữu cơ. Việc nghiên 13 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com cứu chế tạo oxit có kích thước nano, ứng dụng hấp phụ các chất gây ô nhiễm nước như asen, sắt, mangan là cần thiết và có ý nghĩa khoa học và thực tiễn.
Chính vì vậy chúng tôi chọn đề tài “Tổng hợp oxit hỗn hợp hệ Mn – Fe kích thước nanomet ứng dụng để xử lý As, Fe và Mn trong nước sinh hoạt ” Trong khuôn khổ của luận văn này chúng tôi nghiên cứu tổng hợp oxit phức hợp hệ Mn – Fe và ứng dụng để xử lý asen, sắt, mangan trong nước sinh hoạt. 14 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG 1. Giới thiệu về công nghệ nano 1. Một số khái niệm Công nghệ nano 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. Công nghệ nano bao gồm việc thiết kế, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị hay hệ thống ở kích thước nanomet (1nm = 10-9m). Trong công nghệ nano, nghiên cứu vào sử dụng các hệ bao gồm các cấu tử có kích thước nanomet (10-9 m) với cấu trúc phân tử hoàn chỉnh trong việc chuyển hoá vật chất, năng lượng và thông tin. Trước đây, thuật ngữ này được sử dụng với ý nghĩa hẹp hơn, ám chỉ các kĩ thuật sản suất và đo đạc các thực thể với kích thước nhỏ hơn 100 nm.
Như vậy, theo định nghĩa thì công nghệ nano không phải là công nghệ bao hàm nghiên cứu cơ bản về cấu tử có độ lớn nằm giữa 1nm và 100 nm. Để hiểu rõ hơn định nghĩa, ta có thể nêu ra một số ví dụ của thế giới nano. Chẳng hạn những hạt muội than từ một thế kỷ nay là phụ gia không thể thiếu cho vật liệu cao su làm lốp xe vì nó tạo độ bền cần thiết cho vật liệu. Vậy từ lâu vật liệu nano đã đi vào cuộc sống thường nhật của chúng ta.
Một số chất dùng trong tiêm chủng cũng thuộc “nano” bởi vì chúng chứa một hoặc một vài chủng protein, 15 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com nghĩa là các phần tử vĩ mô cỡ nanomet. Nhưng ta không thể xếp chúng vào công nghệ nano được. Vật liệu ở thang đo nano, bao gồm các lá nano, sợi và ống nano, hạt nano được điều chế bằng nhiều cách khác nhau. Ở cấp độ nano, vật liệu có những tính năng đặc biệt mà vật liệu truyền thống không có được đó là do sự thu nhỏ kích thước và tăng diện tích mặt ngoài của loại vật liệu này [20].
Để hiểu rõ về công nghệ nano, ta phải tìm hiểu khái niệm về vật liệu nano Vật liệu nano (nano materials) Công nghệ nano không thể xuất hiện nếu như không có vật liệu nano. Khó có thể xác định chính xác thời điểm xuất hiện của khoa học vật liệu nano, song người ta nhận thấy rằng vài thập niên cuối của thế kỷ XX là thời điểm mà các nhà vật lý, hoá học và vật liệu học quan tâm mạnh mẽ đến việc điều chế, nghiên cứu tính chất và những sự chuyển hoá của các phần tử có kích thước nanomet. Đó là do các phần tử nano biểu hiện những tích chất điện, hoá, cơ, quang, từ. khác rất nhiều so với vật liệu khối thông thường [11; 12].
Ví dụ fulleren C60 gồm 12 mặt ngũ giác đều, 20 mặt lục giác đều, mỗi C có lai hoá sp 2, do đó có hệ electron giải toả đều cả mặt trong và mặt ngoài của phân tử hình cầu, tương tự như hệ electron giải toả trên lớp graphit. Người ta xem fulleren là dạng hình cầu của graphit. C60 kết tinh dạng tinh thể lập phương tâm diện màu đỏ tía, tan tốt trong dung môi không phân cực, có khả năng thăng hoa. Tinh thể C 60 được biến tính bởi kim loại kiềm hay kiềm thổ (K3C60, CsRb2C60) có tính siêu dẫn ở nhiệt độ cao (333K).
Màng mỏng C60 có thể bị hidro hoá, metyl hoá, halogel hoá, trong đó các nhóm thế nằm ở mặt ngoài. Nó tạo thành phức chất với kim loại chuyển tiếp như C60O2Os2(4-t-butylpyridin)2, C60Ir(CO)Cl(PH3)2. Khái niệm vật liệu nano tương đối rộng, chúng có thể là tập hợp các nguyên tử kim loại hay phi kim, oxit, sunfua, cacbua, nitrua. có kích thước trong khoảng 1-100 nm; Đó cũng có thể là các vật liệu xốp với đường kính mao 16 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com quản dưới 100 nm (zeolit, photphat và cacboxylat kim loại).
Như vậy vật liệu nano có thể được định nghĩa một cách khái quát là loại vật liệu mà trong cấu trúc của các thành phần cấu tạo nên nó ít nhất phải có một chiều ở kích thước nanomet. Có thể nhận thấy rằng ở vật liệu nano, do kích thước hạt vô cùng nhỏ (chỉ lớn hơn kích thước phân tử 1 – 2 bậc) nên hầu hết các nguyên tử tự do thể hiện toàn bộ tính chất của mình khi tương tác với môi trường xung quanh. Trong khi ở vật liệu thông thường chỉ có một số ít nguyên tử nằm trên bề mặt, còn phần lớn các nguyên tử nằm sâu trong thể tích của vật, bị các nguyên tử ở lớp ngoài che chắn. Do đó có thể chờ đợi ở các vật liệu nano những tính chất khác thường sau: - Tương tác của các nguyên tử và các điện tử trong vật liệu bị ảnh hưởng bởi các biến đổi trong phạm vi thang nano, do đó khi làm thay đổi cấu hình của vật liệu ở thang nano ta có thể điều khiển được các tính chất của vật liệu theo ý muốn mà không cần thay đổi thành phần hoá học của nó [23].
- Vật liệu có cấu trúc nano có tỷ lệ diện tích bề mặt rất lớn cho phép các hạt nano tham gia phản ứng như là chất phản ứng hợp thức trong phản ứng hóa học, không giống như các khối chất rắn nên chúng là vật liệu lý tưởng để làm xúc tác cho các phản ứng hoá học, thiết bị lưu trữ thông tin. Các chất xúc tác có cấu trúc nano sẽ làm tăng hiệu suất của các phản ứng hoá học và các quá trình cháy, đồng thời sẽ làm giảm tới mức tối thiểu phế liệu và các chất khí gây hiệu ứng nhà kính. Hơn nữa một nửa số dược phẩm mới đang dùng để chữa trị hiện nay đều ở dạng các hạt có kích thước micromet và không tan trong nước, nhưng nếu kích thước được giảm xuống thang nanomet thì chúng sẽ rất dễ dàng được hoà tan. Vì vậy, vật liệu nano sẽ tạo ra một sự phát triển mạnh mẽ trong việc sản suất các loại thuốc mới với hiệu quả cao và dễ sử dụng hơn [23].
17 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com - Tốc độ tương tác, truyền tin giữa các cấu trúc nano nhanh hơn rất nhiều so với cấu trúc micro và có thể sử dụng tính chất ưu việt này để chế tạo ra hệ thống thiết bị truyền tin nhanh với hiệu quả năng lượng cao [6]. - Vì các hệ sinh học về cơ bản có tổ chức vật chất ở thang nano, nên nếu các bộ phận nhân tạo dùng trong tế bào có tổ chức cấu trúc nano bắt chước tự nhiên thì chúng dễ dàng tương thích sinh học [6]. Những tính chất khác thường trên đang là đối tượng khám phá của các nhà khoa học. Vấn đề này thuộc “Hiệu ứng kích thước” (size effect).
Những nghiên cứu về vât liệu nano hiện đang dừng ở mức khảo sát và thăm dò, nghĩa là tìm phương pháp điều chế rồi khảo sát cấu tạo và tính chất sản phẩm thu được, tích luỹ dữ kiện. Những nghiên cứu lí thuyết mô hình hoá các loại vật liệu nano mới và tính chất của chúng đã xuất hiện nhưng chưa nhiều, và kết quả chưa được kiểm chứng vì dữ kiện thực nghiệm còn nghèo. Hiện nay các vật liệu nano được phân loại như sau: - Vật liệu nano trên cơ sở cacbon như ống cacbon - Các loại vật liệu không trên cơ sở cacbon: vật liệu kim loại, vật liệu oxit, vật liệu xốp. - Các phân tử tự tổ chức và tự nhận biết.