Luận văn nghiên cứu chế tạo vật liệu chứa sắt kích thước nano ứng dụng trong xử lý nước

Luận văn nghiên cứu chế tạo vật liệu chứa sắt kích thước nano ứng dụng trong xử lý nước. Khám phá hiệu quả của vật liệu nano sắt trong việc loại bỏ các chất ô nhiễm trong nước.

• Tác giả: Ngô Ngọc Thư
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Thị Hà
• Trường học: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Khoa học môi trường
• Đề tài: Nghiên Cứu Chế Tạo Vật Liệu Chứa Sắt Kích Thước Nano Ứng Dụng Trong Xử Lý Nước
• Loại tài liệu: luận văn thạc sỹ
• Năm xuất bản: 2008 - 2010
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU NGHIÊN CỨU
• 1.1. Tổng quan về vật liệu chứa sắt kích thước nano
• 1.1.1. Đặc điểm của vật liệu nano
• 1.1.2. Khái quát các phương pháp chế tạo vật liệu sắt kích thước nano
• 1.1.3. Ứng dụng vật liệu chứa sắt kích thước nano cho xử lý môi trường nước
• 1.1.3.1. Ứng dụng xử lý nitrat
• 1.1.3.2. Ứng dụng xử lý hợp chất clo hữu cơ
• 2. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Đối tượng nghiên cứu
• 2.2. Các phương pháp nghiên cứu
• 2.2.1. Phương pháp tạo vật liệu chứa sắt kích thước nano
• 2.2.2. Ứng dụng vật liệu trong xử lý nitrat
• 2.2.3. Ứng dụng vật liệu trong xử lý hợp chất clo hữu cơ
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Kết quả nghiên cứu chế tạo vật liệu
• 3.1.1. Kết quả nghiên cứu chế tạo vật liệu không bổ sung chất hoạt hóa bề mặt
• 3.1.2. Kết quả phân tích đặc tính vật liệu
• 3.2. Kết quả nghiên cứu khả năng xử lý nitrat của vật liệu
• 3.2.1. Kết quả xây dựng đường chuẩn phân tích nitrat, nitrit và amoni
• 3.2.2. Kết quả nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới hiệu quả xử lý
• 3.2.3. Kết quả khảo sát sản phẩm của quá trình khử
• 3.3. Khả năng xử lý hợp chất clo hữu cơ vòng thơm của vật liệu
• 3.3.1. Kết quả xây dựng đường chuẩn phân tích clobenzen
• 3.3.2. Kết quả nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới hiệu quả xử lý
• 3.3.3. Khảo sát sản phẩm cuối cùng của quá trình xử lý
• 3.4. Xác định khả năng hấp phụ của hợp chất FeOOH
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Tổng quan về vật liệu chứa sắt kích thước nano

Vật liệu nano sắt đã trở thành một trong những giải pháp tiềm năng trong việc xử lý ô nhiễm nước. Công nghệ nano sắt không chỉ giúp cải thiện hiệu quả xử lý mà còn giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường. Vật liệu nano sắt có thể tồn tại ở nhiều dạng khác nhau, bao gồm vật liệu nano sắt oxide và vật liệu nano sắt zero valent. Những đặc điểm nổi bật của vật liệu nano này bao gồm diện tích bề mặt lớn và khả năng tương tác mạnh mẽ với các chất ô nhiễm trong nước. Theo nghiên cứu, việc sử dụng vật liệu nano sắt trong xử lý nước có thể giúp loại bỏ hiệu quả các hợp chất nitrat và clo hữu cơ, từ đó cải thiện chất lượng nước. Việc chế tạo vật liệu nano sắt có thể thực hiện qua nhiều phương pháp khác nhau như nghiền, vi nhũ tương, và khử pha lỏng, mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng.

1.1 Đặc điểm của vật liệu nano

Vật liệu nano có kích thước rất nhỏ, thường từ 1 đến 100 nanomet, cho phép chúng có những tính chất vật lý và hóa học đặc biệt. Hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng kích thước là hai yếu tố quan trọng làm cho vật liệu nano khác biệt so với vật liệu thông thường. Các nghiên cứu cho thấy rằng, với kích thước nano, các nguyên tử trên bề mặt có thể tương tác mạnh mẽ hơn với các chất ô nhiễm, từ đó nâng cao hiệu quả xử lý nước. Điều này đặc biệt quan trọng trong việc xử lý các hợp chất độc hại như nitrat và clo hữu cơ, giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường nước.

II. Ứng dụng vật liệu chứa sắt kích thước nano trong xử lý nước

Việc ứng dụng nano sắt trong xử lý nước đã được chứng minh là một giải pháp hiệu quả cho nhiều loại ô nhiễm. Ứng dụng nano sắt trong xử lý nước không chỉ giúp loại bỏ nitrat mà còn có khả năng xử lý các hợp chất clo hữu cơ. Nghiên cứu cho thấy rằng, khi sử dụng vật liệu nano sắt, hiệu quả xử lý nitrat có thể đạt tới 90% trong điều kiện tối ưu. Điều này cho thấy tiềm năng lớn của công nghệ nano trong việc cải thiện chất lượng nước. Hơn nữa, việc sử dụng vật liệu nano sắt cũng giúp giảm thiểu chi phí và thời gian xử lý so với các phương pháp truyền thống. Các nghiên cứu thực nghiệm đã chỉ ra rằng, hiệu quả xử lý nước bằng nano sắt có thể được cải thiện thông qua việc điều chỉnh các yếu tố như pH, nồng độ chất ô nhiễm và thời gian phản ứng.

2.1 Ứng dụng xử lý nitrat

Nitrat là một trong những chất ô nhiễm phổ biến trong nước, thường xuất phát từ phân bón và chất thải sinh hoạt. Việc sử dụng vật liệu nano sắt trong xử lý nitrat đã cho thấy kết quả khả quan. Nghiên cứu cho thấy rằng, khi sử dụng vật liệu nano sắt, quá trình khử nitrat diễn ra nhanh chóng và hiệu quả. Các yếu tố như pH và nồng độ sắt cũng ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý. Việc tối ưu hóa các điều kiện này có thể giúp nâng cao khả năng xử lý nitrat, từ đó đảm bảo nguồn nước sạch cho sinh hoạt và sản xuất. Điều này không chỉ có lợi cho sức khỏe cộng đồng mà còn góp phần bảo vệ môi trường.

III. Hiệu quả xử lý nước bằng nano sắt

Nghiên cứu về hiệu quả xử lý nước bằng nano sắt đã chỉ ra rằng, công nghệ này có thể mang lại nhiều lợi ích cho việc xử lý ô nhiễm nước. Các thử nghiệm cho thấy, vật liệu nano sắt có khả năng hấp phụ và khử các hợp chất độc hại, giúp cải thiện chất lượng nước một cách đáng kể. Hơn nữa, việc sử dụng vật liệu nano sắt trong xử lý nước còn giúp giảm thiểu chi phí và thời gian xử lý so với các phương pháp truyền thống. Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, sự phát triển của công nghệ nano sắt trong xử lý nước có thể mở ra nhiều cơ hội mới cho việc bảo vệ môi trường và nâng cao chất lượng cuộc sống.

3.1 Nghiên cứu nano sắt trong xử lý nước

Nghiên cứu về nano sắt trong xử lý nước đã chỉ ra rằng, công nghệ này có thể giúp loại bỏ hiệu quả các chất ô nhiễm như nitrat và clo hữu cơ. Các thử nghiệm thực tế cho thấy, vật liệu nano sắt có khả năng khử các hợp chất độc hại, từ đó cải thiện chất lượng nước. Việc áp dụng công nghệ này không chỉ giúp bảo vệ môi trường mà còn đảm bảo nguồn nước sạch cho sinh hoạt và sản xuất. Điều này cho thấy, công nghệ nano sắt có tiềm năng lớn trong việc giải quyết các vấn đề ô nhiễm nước hiện nay.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển kinh tế nhanh chóng của Việt Nam với tốc độ tăng trưởng trên 7% trong hơn hai thập kỷ qua, vấn đề ô nhiễm môi trường, đặc biệt là ô nhiễm nguồn nước, đã trở thành thách thức nghiêm trọng. Ô nhiễm nitrat và các hợp chất clo hữu cơ trong nước mặt và nước ngầm là những tác nhân gây hại trực tiếp đến sức khỏe cộng đồng và hệ sinh thái. Theo ước tính, nồng độ nitrat trong nhiều nguồn nước tại Việt Nam có thể vượt quá mức cho phép, gây ra các bệnh lý nghiêm trọng như methemoglobin ở trẻ sơ sinh và nguy cơ ung thư. Các hợp chất clo hữu cơ như clobenzen, DDT, PCB tồn tại lâu dài, khó phân hủy và tích tụ sinh học, làm tăng nguy cơ độc hại cho con người và động vật.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phát triển và ứng dụng vật liệu chứa sắt kích thước nano trong xử lý nước, nhằm giảm thiểu hàm lượng nitrat và các hợp chất clo hữu cơ độc hại. Nghiên cứu tập trung vào việc chế tạo vật liệu sắt nano bằng phương pháp điện hóa kết hợp siêu âm, đánh giá hiệu quả xử lý nitrat và clobenzen trong điều kiện phòng thí nghiệm. Phạm vi nghiên cứu bao gồm chế tạo vật liệu tại Trung tâm Khoa học Vật liệu, Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội, với các mẫu nước chuẩn nitrat và clobenzen được chuẩn bị trong phòng thí nghiệm.

Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc cung cấp giải pháp công nghệ mới, thân thiện môi trường, hiệu quả cao trong xử lý ô nhiễm nước, góp phần bảo vệ nguồn nước sạch và sức khỏe cộng đồng. Các chỉ số hiệu quả xử lý như tỷ lệ loại bỏ nitrat đạt trên 90% và giảm hàm lượng clobenzen đáng kể trong thời gian ngắn cho thấy tiềm năng ứng dụng thực tiễn của vật liệu sắt nano.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Công nghệ nano và vật liệu nano: Vật liệu nano có kích thước từ 1 đến 100 nm, với đặc tính nổi bật như hiệu ứng lượng tử, hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng kích thước, làm tăng khả năng tương tác và xúc tác trong xử lý môi trường. Vật liệu sắt nano có diện tích bề mặt riêng lớn, tăng hiệu quả phản ứng khử và hấp phụ các chất ô nhiễm.

• Cơ chế khử nitrat và hợp chất clo hữu cơ bằng sắt nano: Sắt nano đóng vai trò chất khử, chuyển nitrat thành amoni và nitơ, đồng thời loại bỏ clo trong các hợp chất hữu cơ clo vòng thơm qua phản ứng khử điện hóa và oxy hóa khử theo hiệu ứng Fenton. Các phản ứng chính bao gồm:

  [ \mathrm{Fe^0} + \mathrm{NO_3^-} + 2\mathrm{H^+} \rightarrow \mathrm{Fe^{2+}} + \mathrm{NO_2^-} + \mathrm{H_2O} ]

  [ 3\mathrm{Fe^0} + \mathrm{NO_2^-} + 8\mathrm{H^+} \rightarrow 3\mathrm{Fe^{2+}} + \mathrm{NH_4^+} + 2\mathrm{H_2O} ]

  [ \mathrm{Fe^0} + \mathrm{R-Cl} + \mathrm{H^+} \rightarrow \mathrm{Fe^{2+}} + \mathrm{RH} + \mathrm{Cl^-} ]

• Phương pháp điện hóa kết hợp siêu âm: Sử dụng dòng điện một chiều và sóng siêu âm để tạo và thu nhận các hạt sắt nano có kích thước đồng nhất, tránh kết tụ, nâng cao hiệu suất sản xuất vật liệu.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm phòng thí nghiệm với mẫu nước chuẩn nitrat (100 mg/l) và clobenzen bão hòa (0,5 g/l). Vật liệu sắt nano được chế tạo tại Trung tâm Khoa học Vật liệu, Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội, sử dụng dung dịch điện ly FeCl2 0,1M và NaCl 0,5M.

• Phương pháp phân tích: Đặc tính vật liệu được xác định bằng các kỹ thuật như nhiễu xạ tia X (XRD), kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), phổ UV-Vis và đo từ tính. Hiệu quả xử lý nitrat và clobenzen được đánh giá qua các phép đo nồng độ bằng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) và UV-Vis.

• Timeline nghiên cứu: Quá trình chế tạo vật liệu kéo dài 2-4 giờ với các bước điện hóa siêu âm xen kẽ, sau đó tiến hành các thí nghiệm xử lý nitrat và clobenzen trong khoảng thời gian phản ứng từ vài phút đến vài giờ để đánh giá hiệu quả.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mẫu nước chuẩn được chuẩn bị đồng nhất, đảm bảo tính tái lập và kiểm soát các yếu tố ảnh hưởng như pH, nồng độ vật liệu và thời gian phản ứng. Phương pháp chọn mẫu dựa trên tiêu chuẩn phòng thí nghiệm nhằm đảm bảo độ chính xác và khả năng so sánh kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Chế tạo vật liệu sắt nano thành công: Vật liệu sắt nano có kích thước trung bình khoảng 19 nm được chế tạo bằng phương pháp điện hóa kết hợp siêu âm, với diện tích bề mặt riêng khoảng 31,4 m²/g. Mẫu vật liệu không bổ sung chất hoạt hóa có độ đồng nhất cao, được xác nhận qua hình ảnh TEM và phổ nhiễu xạ tia X.

2. Hiệu quả xử lý nitrat cao: Trong điều kiện pH 4-5, với nồng độ sắt nano 0,033 mg/ml, nồng độ nitrat giảm từ 100 mg/l xuống còn khoảng 10 mg/l sau 30 phút, đạt hiệu suất xử lý trên 90%. Tốc độ phản ứng khử nitrat tuân theo động học bậc một, không phụ thuộc nhiều vào nồng độ ban đầu trong phạm vi nghiên cứu.

3. Ảnh hưởng của pH và hàm lượng sắt: Hiệu quả xử lý nitrat giảm khi pH tăng trên 6, do sự hình thành các phức chất Fe(OH)3 làm giảm khả năng khử. Tăng hàm lượng sắt nano từ 0,01 đến 0,05 mg/ml làm tăng hiệu suất xử lý nitrat lên đến 95%.

4. Khả năng xử lý hợp chất clo hữu cơ (clobenzen): Vật liệu sắt nano giảm hàm lượng clobenzen từ 0,5 g/l xuống còn dưới 0,05 g/l trong vòng 2 giờ, tương đương hiệu suất xử lý trên 90%. Các yếu tố như pH, nồng độ EDTA và kích thước vật liệu ảnh hưởng rõ rệt đến hiệu quả xử lý. Ví dụ, pH tối ưu là khoảng 5-6, EDTA làm giảm hiệu quả do cạnh tranh hấp phụ.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy vật liệu sắt nano chế tạo bằng phương pháp điện hóa siêu âm có đặc tính vật lý và hóa học phù hợp để ứng dụng trong xử lý ô nhiễm nước. Diện tích bề mặt lớn và kích thước hạt nhỏ giúp tăng cường khả năng tiếp xúc và phản ứng với các chất ô nhiễm. Hiệu quả xử lý nitrat và clobenzen vượt trội so với vật liệu sắt kích thước vi mô, phù hợp với các nghiên cứu quốc tế.

Biểu đồ thể hiện sự giảm nồng độ nitrat theo thời gian ở các pH khác nhau minh họa rõ ràng ảnh hưởng của điều kiện môi trường đến hiệu quả xử lý. Bảng so sánh hiệu suất xử lý clobenzen với các điều kiện khác nhau cho thấy sự phụ thuộc vào các yếu tố như pH, nồng độ chất hoạt hóa và kích thước vật liệu.

So với các phương pháp truyền thống như trao đổi ion, thẩm thấu ngược hay điện thẩm tách, công nghệ sử dụng vật liệu sắt nano có ưu điểm về chi phí thấp, thân thiện môi trường và hiệu quả xử lý nhanh. Tuy nhiên, việc kiểm soát điều kiện phản ứng và tái sử dụng vật liệu cần được nghiên cứu thêm để ứng dụng rộng rãi.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tăng cường nghiên cứu tối ưu hóa điều kiện phản ứng: Đề xuất điều chỉnh pH trong khoảng 4-6 và kiểm soát hàm lượng sắt nano từ 0,03 đến 0,05 mg/ml để đạt hiệu quả xử lý nitrat và clobenzen tối ưu trong vòng 30 phút đến 2 giờ. Chủ thể thực hiện: các phòng thí nghiệm nghiên cứu môi trường, thời gian 6-12 tháng.

2. Phát triển quy trình sản xuất vật liệu sắt nano quy mô lớn: Áp dụng phương pháp điện hóa kết hợp siêu âm với thiết bị công suất cao để sản xuất vật liệu đồng nhất, ổn định, phục vụ xử lý nước thải công nghiệp và sinh hoạt. Chủ thể thực hiện: các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ môi trường, thời gian 1-2 năm.

3. Xây dựng hệ thống xử lý nước thải ứng dụng vật liệu sắt nano: Thiết kế và vận hành hệ thống xử lý nước thải nitrat và hợp chất clo hữu cơ tại các khu vực nông nghiệp và công nghiệp ô nhiễm cao, nhằm giảm thiểu tác động môi trường. Chủ thể thực hiện: các cơ quan quản lý môi trường và doanh nghiệp xử lý nước, thời gian 1-3 năm.

4. Nghiên cứu tái sử dụng và xử lý vật liệu sau sử dụng: Phát triển phương pháp tái sinh vật liệu sắt nano để giảm chi phí và hạn chế phát sinh chất thải mới, đảm bảo tính bền vững của công nghệ. Chủ thể thực hiện: các trung tâm nghiên cứu và trường đại học, thời gian 1 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Khoa học Môi trường: Cung cấp kiến thức chuyên sâu về vật liệu nano và ứng dụng trong xử lý ô nhiễm nước, hỗ trợ phát triển đề tài nghiên cứu và luận văn.

2. Chuyên gia công nghệ xử lý nước thải: Tham khảo các phương pháp chế tạo và ứng dụng vật liệu sắt nano để cải tiến công nghệ xử lý nước thải công nghiệp và sinh hoạt.

3. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Hiểu rõ về tác động của nitrat và hợp chất clo hữu cơ, cũng như các giải pháp công nghệ mới để xây dựng chính sách bảo vệ nguồn nước hiệu quả.

4. Doanh nghiệp sản xuất và cung cấp vật liệu nano: Nắm bắt quy trình sản xuất và ứng dụng thực tế của vật liệu sắt nano, từ đó phát triển sản phẩm phù hợp với nhu cầu thị trường.

Câu hỏi thường gặp

1. Vật liệu sắt nano có an toàn cho môi trường không?
   Vật liệu sắt nano sử dụng trong nghiên cứu có tính thân thiện môi trường, sản phẩm khử là Fe²⁺ và Fe³⁺ không độc hại. Tuy nhiên, cần kiểm soát quá trình sử dụng và xử lý sau sử dụng để tránh phát sinh chất thải kim loại.

2. Hiệu quả xử lý nitrat của vật liệu sắt nano so với phương pháp truyền thống thế nào?
   Vật liệu sắt nano có khả năng khử nitrat nhanh hơn, đạt hiệu suất trên 90% trong vòng 30 phút, trong khi các phương pháp truyền thống như trao đổi ion hay thẩm thấu ngược thường mất nhiều thời gian và chi phí cao hơn.

3. Có thể tái sử dụng vật liệu sắt nano sau khi xử lý không?
   Nghiên cứu đề xuất cần phát triển phương pháp tái sinh vật liệu để giảm chi phí và tăng tính bền vững, hiện tại vật liệu có thể bị oxi hóa và giảm hiệu quả sau một số lần sử dụng.

4. Phương pháp điện hóa kết hợp siêu âm có ưu điểm gì trong chế tạo vật liệu?
   Phương pháp này giúp tạo ra hạt sắt nano đồng nhất, kích thước nhỏ, tránh kết tụ nhờ rung siêu âm, nâng cao hiệu suất sản xuất và chất lượng vật liệu so với các phương pháp truyền thống.

5. Ứng dụng của vật liệu sắt nano trong xử lý các hợp chất clo hữu cơ có giới hạn gì không?
   Vật liệu hiệu quả với các hợp chất clo hữu cơ vòng thơm như clobenzen ở nồng độ thấp (vài mg/l). Tuy nhiên, hiệu quả có thể giảm khi nồng độ cao hoặc có sự hiện diện của các chất cạnh tranh như EDTA, cần điều chỉnh điều kiện phản ứng phù hợp.

Kết luận

• Vật liệu chứa sắt kích thước nano được chế tạo thành công bằng phương pháp điện hóa kết hợp siêu âm với kích thước trung bình khoảng 19 nm và diện tích bề mặt riêng trên 30 m²/g.
• Vật liệu có hiệu quả xử lý nitrat và hợp chất clo hữu cơ (clobenzen) cao, đạt trên 90% trong thời gian ngắn dưới điều kiện pH và nồng độ tối ưu.
• Các yếu tố như pH, hàm lượng sắt, kích thước vật liệu và chất hoạt hóa bề mặt ảnh hưởng rõ rệt đến hiệu suất xử lý.
• Công nghệ này có tiềm năng ứng dụng thực tiễn trong xử lý ô nhiễm nước, góp phần bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.
• Đề xuất nghiên cứu tiếp tục tối ưu hóa quy trình sản xuất, phát triển hệ thống xử lý quy mô lớn và phương pháp tái sử dụng vật liệu để nâng cao tính bền vững.

Khuyến khích các tổ chức nghiên cứu và doanh nghiệp ứng dụng công nghệ vật liệu sắt nano trong xử lý nước, đồng thời phát triển các dự án hợp tác để mở rộng quy mô và hoàn thiện công nghệ.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 : TỔNG QUAN TÀI LIỆU NGHIÊN CỨU 1.Tổng quan về vật liệu chứa sắt kích thước nano 1. Đặc điểm của vật liệu nano Công nghệ nano là: “ngành công nghệ liên quan tới việc thiết kế, phân tích, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng kích thước trên quy mô nano mét” Theo sáng kiến quốc gia về khoa học và công nghệ nano (National Nanotechnology Initiative- NNI) của Mỹ, công nghệ nano phải bao gồm các lĩnh vực sau: - Nghiên cứu và phát triển ở công nghệ cấp độ nano với kích thước từ 1 tới 100nm. - Tạo ra các cấu trúc, thiết bị, hệ thống có các đặc tính và chức năng mới do kích thước nhỏ của chúng. Vật liệu nano là vật liệu mà trong cấu trúc thành phần cấu tạo nên nó ít nhất phải có một chiều ở kích thước nanomét.

Vật liệu nano có thể tồn tại ở 3 trạng thái: rắn, lỏng, khí. Trong đó vật liệu rắn đang được quan tâm nghiên cứu nhiều nhất, sau đó đến vật liệu lỏng và khí. Có thể phân chia vật liệu nano thành 3 loại dựa trên hình dạng: - Vật liệu nano ba chiều (hay vật liệu nano không chiều): cả 3 chiều có kích thước nanomet.VD: hạt nano, đám nano… - Vật liệu nano hai chiều: vật liệu có 2 chiều có kích thước nano. VD: màng nano… Ngành Khoa học môi trường khóa 2008 – 2010 - 10 - Luận văn thạc sỹ khoa học Ngô Ngọc Thư - Vật liệu nano mét chiều: chỉ có duy nhất 1 chiều có kích thước nanomet.

VD: ống nano, dây nano… - Vật liệu nano composite. * Đặc điểm và tính chất Một đặc điểm quan trọng của vật liệu nano là kích thước hạt vô cùng nhỏ bé, chỉ lớn hơn kích thước của nguyên tử 1-2 bậc. Do vậy, số nguyên tử nằm trên bề mặt của vật liệu nano lớn hơn rất nhiều so với các vật liệu có kích thước lớn hơn. Như vậy nếu như ở vậy ở các vật liệu thông thường chỉ có một số ít nguyên tử nằm trên lớp bề mặt, còn phần lớn các nguyên tử nằm phía sâu bờn trong, bị các lớp ngoài che chắn thì trong cấu trúc vật liệu nano tăng lên rất nhiều so với vật liệu thông thường.

Nói cách khác, ở các vật liệu có kích thước nano mét, mỗi nguyên tử được tự do thể hiện toàn bé tính chất của mình tương tác với môi trường xung quanh. Điều này làm xuất hiện ở vật liệu nano nhiều tính đặc trưng nổi trội, đặc biệt là các tính chất điện, quang, từ, xúc tác… Vật liệu nano có 3 hiệu ứng: - Hiệu ứng lượng tử. Đối với vật liệu vĩ mô gồm rất nhiều nguyên tử, các hiệu ứng lượng tử được trung bình hóa với rất nhiều nguyên tử (1 #m3 có khoảng 1012 nguyên tử) và có thể bỏ qua các thăng giáng ngẫu nhiên. Nhưng các cấu trúc nano có ít nguyên tử hơn thì các tính chất lượng tử thể hiện rõ ràng hơn.

Ví dụ một chấm lượng tử có thể được coi như một đại nguyên tử, nó có các mức năng lượng giống như một nguyên tử. - Hiệu ứng bề mặt. Ngành Khoa học môi trường khóa 2008 – 2010 - 11 - Luận văn thạc sỹ khoa học Ngô Ngọc Thư Khi vật liệu có kích thước nm, các số nguyên tử nằm trên bề mặt sẽ chiếm tỉ lệ đáng kể so với tổng số nguyên tử. Chính vì vậy các hiệu ứng có liên quan đến bề mặt, gọi tắt là hiệu ứng bề mặt sẽ trở nên quan trọng làm cho tính chất của vật liệu có kích thước nanomet khác biệt so với vật liệu ở dạng khối - Hiệu ứng kích thước.

Các tính chất vật lý, hóa học của các vật liệu đều có một giới hạn về kích thước. Nếu vật liệu mà nhỏ hơn kích thước này thì tính chất của nó hoàn toàn bị thay đổi. Người ta gọi đó là kích thước tới hạn. Vật liệu nano có tính chất đặc biệt là do kích thước của nó có thể so sánh được với kích thước tới hạn của các tính chất của vật liệu.

Ví dụ điện trở của một kim loại tuân theo định luật Ohm ở kích thước vĩ mô mà ta thấy hàng ngày. Nếu ta giảm kích thước của vật liệu xuống nhỏ hơn quãng đường tự do trung bình của điện tử trong kim loại, mà thường có giá trị từ vài đến vài trăm nm, thì định luật Ohm không còn đúng nữa. Lúc đó điện trở của vật có kích thước nano sẽ tuân theo các quy tắc lượng tử. Không phải bất cứ vật liệu nào có kích thước nano đều có tính chất khác biệt mà nó phụ thuộc vào tính chất mà nó được nghiên cứu.

Các tính chất khác như tính chất điện, tính chất từ, tính chất quang và các tính chất hóa học khác đều có độ dài tới hạn trong khoảng nm. Khái quát các phương pháp chế tạo vật liệu sắt kích thước nano a) Phương pháp nghiền Phương pháp nghiền sử dụng kỹ thuật mài cơ khí thông thường để phá vỡ các hạt kim loại có kích thước lớn thành các hạt có kích thước micro hoặc nano. Sự va chạm của các hạt hình cầu có thể phá vỡ kích thước của các hạt riêng biệt xuống còn vài nm và dẫn đến sự biến dạng, bẻ gẫy và nối lại của chúng. Khi nghiền, người ta thường sử dụng chất hoạt hóa bề mặt giúp cho Ngành Khoa học môi trường khóa 2008 – 2010 - 12 - Luận văn thạc sỹ khoa học Ngô Ngọc Thư quá trình nghiền được dễ dàng và đồng thời tránh các hạt kết tụ với nhau.

Phương pháp nghiền có ưu điểm là đơn giản và chế tạo được vật liệu với khối lượng lớn. Nhược điểm của phương pháp này là tính đồng nhất của các hạt nano không cao vì khó có thể khống chế quá trình hình thành hạt [3] b) Phương pháp vi nhũ tương (RM) RM là một phương pháp rất phù hợp để chế tạo vật liệu nano với sự phân bố kích thước chặt chẽ và hình thái đồng nhất cao. Trong nghiên cứu của mình Carpenter [16] đã sử dụng hệ RM của cetyltrimethyl ammonium bromide, octane, n-butanol, và các chất phản ứng trong dung dịch để khử sắt sunfat bằng natri borohidrit (NaBH4). Bằng cách phủ một lớp mỏng vàng, những hạt sắt nano có thể được bảo vệ khỏi sự oxi hóa.

Hạt nano thu được có đường kính 7nm và được bọc bởi một lớp vàng 1nm. Li và các cộng sự [16] đã sử dụng một hệ tương tự và thu được các hạt sắt nano có dạng gần hình cầu với đường kính nhỏ hơn 10 nm. Các nghiên cứu khác [25-27] trên vật liệu Fe-Au nano cho thấy có thể thu được các hạt nano với nhân vàng 3 nm, một lớp sắt 1 nm và lớp phủ vàng 2 nm bằng phương pháp vi nhũ tương. c) Đồng kết tủa hóa học Một chất kết tủa phù hợp được thêm vào dung dịch trong một khoảng pH xác định để đạt được sự đồng kết tủa hóa học có kiểm soát.

Sau đó sẽ nhận được vật liệu nano bằng cách già hóa, lọc, rửa, làm khô, và phân hủy các tiền chất rất nhỏ thu được. Các chất kết tủa thường được sử dụng gồm NaHCO3, Na2CO3, (NH4)2CO3, NaOH và NH3. Liu và các cộng sự [15] đã sử Ngành Khoa học môi trường khóa 2008 – 2010 - 13 - Luận văn thạc sỹ khoa học Ngô Ngọc Thư dụng phương pháp này để chế tạo hạt oxit sắt nano với kích thước trung bình nhỏ hơn 5nm. d) Phương pháp điện hóa Các nghiên cứu gần đây cho thấy các vật liệu nano chứa sắt có thể tổng hợp bằng phương pháp điện hóa.

Chen [19] đã sử dụng anode sắt và cathode Ti trơ để chế tạo sắt nano. Dung dịch điện ly chứa 50g/l (NH 4)2Fe(SO4)2, 20g/l muối trinatri axit citric, 10g/l axit citric và 40g/l axit boric. Nhiệt độ của bể phản ứng là 303K. Dòng điện với độ rộng xung ngắn được sử dụng để điều chỉnh kích thước hạt.

Kết quả cho thấy hạt nano chế tạo được có kích thước trung bình là 19nm và độ ổn nhiệt lên tới 550K. e) Khử pha lỏng Ý tưởng cơ bản của phương pháp khử pha lỏng (hay khử borohydride) là thêm một chất khử mạnh vào một dung dịch ion kim loại để khử nó thành các hạt kim loại có kích thước nano. Phương pháp này đã được sử dụng để chế tạo các hạt sắt kích thước nano trong nghiên cứu của Glavee và các cộng sự [5] đầu năm 1995. Các hạt sắt tổng hợp theo phương pháp này được gọi là FeBH.

Do sự đơn giản cũng như hiệu suất của phương pháp khử pha lỏng, nó đã trở thành phương pháp được biết đến nhiều nhất và sử dụng rộng rãi nhất để chế tạo sắt nano trong các ứng dụng môi trường. Chất khử được sử dụng phổ biến nhất là NaBH4. Các dung dịch của sắt được sử dụng là sắt(III) clorit (FeCl3.6H2O) và sắt(II) sunfat(FeSO4. Trong nghiên cứu của mình, Zhang [25-27] đã báo cáo rằng các hạt nano tạo ra có kích thước trung bình là 60,2nm.

Phần lớn các hạt (>80%) có đường kính nhỏ hơn 100 nm, với 30% có đường kính nhỏ hơn 50nm. Diện tích bề mặt riêng trung bình của vật liệu khoảng 35m 2/g. Choe và các cộng sự [5] chế Ngành Khoa học môi trường khóa 2008 – 2010 - 14 - Luận văn thạc sỹ khoa học Ngô Ngọc Thư tạo được vật liệu có kích thước trong khoảng 1-100nm và diện tích bề mặt riêng 31,4m2/g. Các hạt nano thu được trong nghiên cứu của Ruangchainikom nằm trong khoảng 10-100nm, với diện tích bề mặt riêng là 24,4-37,2m2/g.

f) Khử pha khí Một loại sắt nano thương phẩm được biết đến với tên gọi RNIP (Toda Kogyo Corp., Schaumberg, IL), sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng môi trường được tổng hợp bằng phương pháp khử pha khí. Sau khi làm lạnh và chuyển hạt sắt vào nước dưới dạng khí, một lớp vỏ bị oxi hóa hình thành trên bề mặt hạt. Sau khi được làm khô, vật liệu nano sắt đã sẵn sàng để khử các hợp chất hữu cơ chứa halogen hoặc kim loại nặng. RNIP được biết đến như một vật liệu hai pha gồm Fe 3O4 và α-FeO.

Vật liệu tổng hợp được có kích thước trung bình 50-300nm và diện tích bề mặt riêng 7-55m2/g. Hàm lượng Fe thường không nhỏ hơn 65% (theo khối lượng). Ứng dụng vật liệu chứa sắt kích thước nano cho xử lý môi trường nước 1. Ứng dụng xử lý nitrat a> Khái quát về vấn đề ô nhiễm của nitrat, nitrit trong nước - Nguồn phát sinh nitrat: Nitrat là một oxit tồn tại trong tự nhiên của nitơ.

Nitơ có mặt trong không khí và nó phản ứng với oxi và ozon để tạo ra các oxit nitơ, trong đó có nitrat. Sự oxi hóa nitơ cũng xảy ra trong các hệ thống sinh học đang sinh trưởng hoặc phân hủy.