Chương 1. Tổng quan tài liệu - Chương 2. Thực nghiệm - Chương 3. Kết quả và thảo luận - Kết luận và kiến nghị - Danh mục tài liệu tham khảo 4 CHƢƠNG 1.
TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Vật liệu Fe2O3 lập phƣơng xốp (α-Fe2O3) 1. Giới thiệu về Fe2O3 Sắt là tên một nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn nguyên tố có ký hiệu Fe và số hiệu nguyên tử bằng 26, nằm ở phân nhóm VIIIB chu kỳ 4, là một trong các nguyên tố chuyển tiếp. Các đồng vị 54Fe, 56Fe, 57Fe và 58Fe rất bền.
Sắt phổ biến trong tự nhiên dưới dạng các hợp chất khác nhau. Fe2O3 là oxit sắt phổ biến nhất trong thiên nhiên. Fe2O3 có 4 pha chính: γ-Fe2O3, α-Fe2O3, β-Fe2O3, ε-Fe2O3, trong đó, γ-Fe2O3, α- Fe2O3 là hai pha tồn tại trong tự nhiên, còn hai pha β-Fe2O3, ε-Fe2O3 chỉ mới được tìm thấy trong phòng thí nghiệm [4]. Tính chất vật lí, tính chất hóa học, trạng thái tự nhiên và ứng dụng Fe2O3 là dạng phổ biến nhất của sắt oxit trong tự nhiên.
Fe2O3 là một chất rắn màu đỏ. Trong tự nhiên tồn tại ở dạng khoáng chất magnetit. Fe2O3 là nguồn cung cấp sắt chính cho ngành công nghiệp luyện thép. Fe2O3 có vai trò rất quan trọng trong việc tạo màu cho các loại men gốm sứ và giúp làm giảm rạn men [4].
Fe2O3 là oxit bazơ, có tính oxi hóa. Fe2O3 tác dụng với dung dịch axit và các chất khử mạnh ở nhiệt độ cao như: H2, CO, Al. Fe2O3 được ứng dụng rộng rãi trong ngành phân bón, sơn dầu, vật liệu xây dựng, gốm, các loại men, kính quang học, thuộc da, vật liệu chịu lửa và hợp kim thép cao cấp. Giới thiệu về α-Fe2O3 Hematit (α-Fe2O3) là oxit kim loại bán dẫn, bền nhiệt, rẻ, thân thiện môi trường đã và đang được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực quan trọng như xúc tác, hấp phụ, vật liệu từ, cảm biến khí và vật liệu biến tính điện cực.
Trong những thập kỷ gần đây, cấu trúc nano hematit đã nhận được nhiều sự quan tâm nghiên cứu, khám phá bởi nhiều tính chất hóa lý mới lạ mà vật liệu dạng khối không có được [9]. Cho đến nay, nhiều dạng cấu trúc nano α-Fe2O3 như thanh (nanorods), dây (nanowires), tấm (nanoplates), quả cầu rỗng (hollow spheres), phân cấp 3 chiều hình nhím biển (hierarchical urchin), đã tổng hợp thành công bằng các phương pháp khác nhau như phương pháp sol-gel, đồng kết tủa, thủy nhiệt, vi sóng… α-Fe2O3 là oxit sắt bền nhất trong điều kiện môi trường không khí và đã được nghiên cứu một cách rộng rãi về ứng dụng của nó trong lĩnh vực xúc tác. Trong sự đa dạng cấu trúc và hình thái, nano α-Fe2O3 có cấu trúc xốp, hình thái lập phương là một trong những vật liệu có khả năng thực hiện điện hóa ưu việt so với cấu trúc dạng khối đặc khít, xuất phát từ diện tích bề mặt lớn, hệ thống mao quản phong phú giúp các chất phân tích dễ dàng tiếp xúc với tâm hấp phụ xúc tác trên bề mặt điện cực [9]. Các ứng dụng của oxide sắt phụ thuộc mật thiết vào khả năng oxi hóa khử (sự khử và sự oxi hóa) giữa các trạng thái oxi hóa +2 va +3.
Tuy nhiên, các trạng thái oxi hóa thay đổi của sắt dẫn đến một giản đồ pha khá phức tạp của các oxide sắt với một số pha dễ thay thế cho nhau. Do đó, để 5 hiểu được quá trình khử của α-Fe2O3 trở thành một thách thức lâu dài cho các nhà khoa học vật liệu [9]. Nano oxit sắt được tổng hợp bằng nhiều cách khác nhau như phương pháp đồng kết tủa (coprecipitation), phương pháp vi nhũ (microemulsion), phương pháp thủy nhiệt (hydrothermal), phương pháp lắng đọng điện hóa (electrochemical deposition) và phương pháp phân hủy nhiệt (thermal decomposition),…Wei-Xian Zang là một trong những nhà khoa học đi đầu trong lĩnh vực nghiên cứu tổng hợp nano sắt và ứng dụng để xử lý các hợp chất clo hữu cơ như TCE, PCBs, CCl4,… Ông cũng đã thành công trong việc xử lý các dẫn xuất Clo của etylen bằng các nano sắt và xử lý các hợp chất clo hữu cơ bằng nano sắt phủ kim loại. Chengyin Fu và cộng sự đã có nghiên cứu tổng hợp và ứng dụng nano oxit sắt từ vào lĩnh vực y sinh, Diana Kostyukova và yong hee Chung đã có nghiên cứu tổng hợp nano oxit sắt bằng phương pháp phân hủy nhiệt sử dụng dung môi isobutanol và đi từ tiền chất FeCl2 thu được anpha Fe2O3 kích thước trong khoảng 11 đến 12 nm, Mohan Lai và S.Verma đã có nghiên cứu tổng hợp và xác định đặc trưng cấu trúc vật liệu bằng phương pháp đồng kết tủa sử dụng PVA thu được vật liệu kích thước khoảng 20 nm.
Zuolian Cheng và cộng sự cũng có nghiên cứu tổng hợp và xác định đặc trưng cấu trúc vật liệu ứng dụng xử lý kim loại nặng trong nước thải [6]. Trong nghiên cứu này α-Fe2O3 được tổng hợp bằng phương pháp nung phân hủy nhiệt prussian blue. Giới thiệu về hợp chất màu 1. Giới thiệu sơ lược về các hợp chất màu Phẩm nhuộm (thường gọi là thuốc nhuộm), những hợp chất hữu cơ có màu, có khả năng nhuộm màu các vật liệu như vải, giấy, nhựa, da.
Ngoài những nhóm mang màu (quinon, azo, nitro), phẩm nhuộm còn chứa các nhóm trợ màu như OH, NH2. có tác dụng làm tăng màu và tăng tính bám của phẩm vào sợi [25]. Họ thuốc nhuộm phổ biến nhất hiện nay là thuốc nhuộm azo. Có rất nhiều loại thuốc nhuộm azo, với nhiều màu: màu đỏ tươi, màu đỏ, nâu, vàng, xanh, lam, chàm, tím từ màu sẫm đến màu nhạt, rất đầy đủ.
Ngoài ra thuốc nhuộm còn được ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm, dược phẩm, mỹ phẩm. Trong các nhu cầu về màu sắc của đời sống xã hội có nhu cầu nhuộm thực phẩm (thức ăn và đồ uống), nhuộm dược phẩm (thuốc uống và bôi ngoài da) và mỹ phẩm (son, phấn,. Có màu sắc đẹp và phù hợp với sản phẩm kể trên sẽ tăng tính hấp dẫn, dễ tiêu thụ và tăng giá trị sử dụng. Song các loại phẩm màu và chất màu dùng vào mục đích này có yêu cầu chung là phải không độc với cơ thể hoặc độ độc không đáng kể, không để lại các di chứng về y học, đây là tiêu chuẩn hàng đầu.
Ở những nước công nghiệp phát triển, người ta đã ban hành các luật về sử dụng phẩm màu cho thực phẩm, dược phẩm và mỹ phẩm. Trong một số ngành công nghiệp khác như nhuộm lông thú, nhuộm da cũng sử dụng thuốc nhuộm [25]. 6 Có thể thấy được rằng thuốc nhuộm có vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp, có nhiều ứng dụng trong các ngành nghề khác nhau và ngày càng được ưa chuộng do nhu cầu thẩm mỹ của người tiêu dùng ngày càng tăng. - Phân loại: Căn cứ vào tính năng kĩ thuật, phân ra các loại phẩm nhuộm chính [25], [26]: + Trực tiếp: Thuốc nhuộm có nhóm SO3Na tan trong nước, kém bền đối với ánh sáng và giặt giũ nên phải kèm thêm chất cầm màu.
+ Axit: Thuốc nhuộm có nhóm SO3H hoặc COOH dùng nhuộm trực tiếp các tơ sợi có tính bazơ. + Bazơ: Hầu hết là các muối clorua, oxalat, hay muối kép của bazơ hữu cơ. + Hoàn nguyên: Thuốc nhuộm trở lại tính chất ban đầu sau khi hấp phụ. + Hoạt tính: Thuốc nhuộm trong cấu trúc phân tử có các nhóm nguyên tử có thể chứa các liên kết hóa trị với vật liệu.
+ Phân tán: Thuốc nhuộm có độ hòa tan trong nước thấp. Ngoài phẩm nhuộm tổng hợp còn có phẩm nhuộm tự nhiên tách ra từ một số loài thực vật như củ nâu, chàm, v. Một số phẩm nhuộm thường gặp + Phẩm nhuộm Acriđin: Dẫn xuất của acriđin hoặc 9 - phenylacriđin, có những nhóm thế khác nhau (OH, NH2, SH, vv) ở vị trí 3 và 6. Phẩm nhuộm Acriđin thuộc loại phẩm nhuộm arylmetan có màu vàng và da cam.
Dùng để nhuộm da, giấy, gỗ, vv [25]. + Phẩm nhuộm Azo: Phẩm nhuộm tổng hợp mà trong phân tử có chứa một hoặc vài nhóm mang màu azo, ví dụ -N = N - liên kết với các gốc thơm. Phẩm nhuộm Azo là những chất rắn, chỉ hoà tan trong nước khi trong phân tử có chứa các nhóm SO3H, COOH hoặc R4N+. Nhiều phẩm nhuộm Azo (đặc biệt khi không có nhóm SO3H và có nhóm NO2) là chất cháy và dưới dạng hỗn hợp với bụi không khí dễ nổ nguy hiểm.
Nhờ nguyên liệu đầu phong phú, phương pháp tổng hợp đơn giản, hiệu suất cao, phẩm nhuộm Azo thuộc loại các phẩm nhuộm quan trọng nhất (chiếm trên 50% tổng sản lượng các loại phẩm nhuộm). Dùng để nhuộm vải, sợi, giấy, da, chất dẻo, vv. Ưu điểm của phẩm nhuộm Azo là sử dụng đơn giản và giá rẻ. Tuy nhiên, hiện nay phẩm nhuộm Azo đã bị cấm sử dụng ở hầu hết các nước trên thế giới vì có khả năng gây ung thư mạnh [25].
+ Phẩm nhuộm hoàn nguyên: Gồm các phẩm màu inđigo, một số dẫn xuất của antraquinon và đồng đẳng, một vài phẩm nhuộm lưu huỳnh. Loại phẩm này không tan trong nước nên khi sử dụng phải khử với natri hiđrosunfit trong môi trường kiềm mạnh nhằm chuyển thành dạng hoà tan gọi là dẫn xuất lơco bám rất chắc vào sợi xenlulozơ. Khi nhuộm, sợi được tẩm ướt dung dịch lơco, sau đó phẩm màu được tái sinh do lơco bị oxi hóa. Thường lơco dễ bị oxi hoá khi phơi ngoài không khí hoặc dùng các chất oxi 7 hoá như H2O2, kali đicromat, vv.
Phẩm có nhiều màu khác nhau, rất bền đối với ánh sáng, thời tiết và giặt giũ [25]. + Phẩm nhuộm Nitro: Phẩm nhuộm hữu cơ thuộc dãy benzen và naphatalen có chứa ít nhất một nhóm nitro cùng với nhóm hiđroxi - OH, imino = NH, sunfo - SO3H hoặc các nhóm khác. Ví dụ, vàng naphtol. Phẩm nhuộm Nitro chủ yếu có màu vàng; dùng để nhuộm len, da, sợi axetat, poliamit và các chất dẻo [25].
+ Phẩm nhuộm sunfua: Hỗn hợp phức tạp gồm nhiều chất mà phân tử có chứa các phần dị vòng, vòng thơm và vòng quinoit; các phần này được liên kết với nhau bằng các nhóm đisunfua, sunfoxit hoặc các nhóm cầu nối khác. Màu phẩm nhuộm Sunfua không tươi nhưng bền với ánh sáng (trừ màu vàng, màu da cam) và độ ẩm, không bền với vò xát và tác dụng của clo. Phẩm nhuộm Sunfua không bền khi bảo quản, phương pháp nhuộm phức tạp, thang màu thiếu màu đỏ. Phẩm nhuộm Sunfua quan trọng nhất là đen sunfua.
Phẩm nhuộm Sunfua thuộc loại rẻ tiền, được dùng để nhuộm các loại vải bông thông thường và nhuộm sợi [25]. + Phẩm đen anilin: Phẩm đen được tạo ra do sự oxi hoá anilin và các đồng đẳng của nó. Dùng làm phẩm nhuộm cho vải, da, gỗ.; làm mực viết, xi đánh giày, vv. Giới thiệu chung về Methylene blue (MB) 1.