Luận văn thạc sĩ vật liệu oxit sắt phân tán trên vật liệu mang trong xử lý môi trường

Nghiên cứu luận văn thạc sĩ về vật liệu oxit sắt phân tán trên vật liệu mang trong xử lý môi trường, ứng dụng và hiệu quả trong bảo vệ môi trường.

• Tác giả: Nguyễn Minh Hiếu
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Hoàng Hải
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Vật lý chất rắn
• Đề tài: Vật Liệu Oxit Sắt Phân Tán Trên Vật Liệu Mang Trong Xử Lý Môi Trường
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI NÓI ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu chung về vật liệu Fe2O3
• 1.2. Vật liệu MCM 41
• 2. CHƯƠNG 2: CHẾ TẠO VẬT LIỆU Fe2O3 VÔ ĐỊNH HÌNH VÀ MCM-41
• 3. CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU
• 4. CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG VẬT LIỆU OXIT SẮT VÀ VẬT LIỆU MANG TRONG XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG NƯỚC
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về vật liệu oxit sắt trong xử lý ô nhiễm môi trường

Vật liệu oxit sắt, đặc biệt là Fe2O3, đã trở thành một trong những lựa chọn hàng đầu trong việc xử lý ô nhiễm môi trường. Với khả năng hấp thụ vượt trội, oxit sắt không chỉ giúp loại bỏ các ion kim loại nặng mà còn cải thiện chất lượng nước. Nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng vật liệu nano oxit sắt có thể mang lại hiệu quả cao hơn so với các vật liệu truyền thống. Điều này mở ra hướng đi mới trong việc phát triển các giải pháp xử lý ô nhiễm nước.

1.1. Vật liệu oxit sắt và tính chất hấp thụ

Oxit sắt, đặc biệt là Fe2O3, có khả năng hấp thụ mạnh mẽ các ion kim loại nặng. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng vật liệu này có thể hấp thụ asen, sắt và mangan hiệu quả. Tính chất này đến từ cấu trúc nano của oxit sắt, cho phép tăng diện tích bề mặt và khả năng tương tác với các chất ô nhiễm.

1.2. Ứng dụng của vật liệu oxit sắt trong xử lý nước

Vật liệu oxit sắt được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống xử lý nước thải. Các nghiên cứu đã chứng minh rằng việc sử dụng oxit sắt có thể giảm đáng kể nồng độ kim loại nặng trong nước, từ đó cải thiện chất lượng nước sinh hoạt. Điều này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh ô nhiễm nước ngày càng gia tăng.

II. Thách thức trong việc sử dụng vật liệu oxit sắt

Mặc dù vật liệu oxit sắt có nhiều ưu điểm, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức trong việc ứng dụng thực tiễn. Việc tách lọc các hạt nano oxit sắt ra khỏi nước sau khi xử lý là một trong những vấn đề lớn. Kích thước nhỏ của các hạt nano khiến cho việc loại bỏ chúng trở nên khó khăn, ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý.

2.1. Khó khăn trong việc tách lọc hạt nano

Kích thước nhỏ của hạt nano oxit sắt, thường chỉ khoảng 5nm, làm cho việc tách lọc chúng khỏi nước trở nên phức tạp. Phương pháp ly tâm thường được sử dụng nhưng yêu cầu tốc độ cao, dẫn đến chi phí và thời gian xử lý tăng lên.

2.2. Giải pháp khắc phục vấn đề tách lọc

Một trong những giải pháp hiệu quả là kết hợp oxit sắt với vật liệu mang như MCM-41. Vật liệu này không chỉ giúp tăng cường khả năng hấp thụ mà còn hỗ trợ trong việc tách lọc các hạt nano ra khỏi nước, từ đó nâng cao hiệu suất xử lý.

III. Phương pháp chế tạo vật liệu oxit sắt hiệu quả

Việc chế tạo vật liệu oxit sắt vô định hình có vai trò quan trọng trong việc nâng cao khả năng hấp thụ. Các phương pháp như vi sóng và kết tủa trong pha lỏng đã được nghiên cứu và áp dụng để tạo ra vật liệu có tính chất tối ưu nhất.

3.1. Phương pháp vi sóng trong chế tạo oxit sắt

Phương pháp vi sóng cho phép tạo ra vật liệu oxit sắt với kích thước hạt đồng đều và tính chất hấp thụ tốt. Nghiên cứu cho thấy rằng vật liệu chế tạo bằng phương pháp này có khả năng hấp thụ kim loại nặng cao hơn so với các phương pháp truyền thống.

3.2. Kết tủa trong pha lỏng và ứng dụng

Phương pháp kết tủa trong pha lỏng cũng được sử dụng để chế tạo oxit sắt. Phương pháp này giúp kiểm soát kích thước và hình thái của hạt, từ đó nâng cao hiệu quả hấp thụ. Việc tối ưu hóa các điều kiện phản ứng là rất quan trọng để đạt được vật liệu có tính chất tốt nhất.

IV. Kết quả nghiên cứu về ứng dụng vật liệu oxit sắt

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng vật liệu oxit sắt trong xử lý ô nhiễm nước mang lại kết quả khả quan. Các thử nghiệm cho thấy khả năng loại bỏ asen và các kim loại nặng khác đạt hiệu suất cao, góp phần cải thiện chất lượng nước.

4.1. Hiệu quả xử lý ô nhiễm nước bằng oxit sắt

Các nghiên cứu thực nghiệm cho thấy vật liệu oxit sắt có thể giảm nồng độ asen trong nước xuống dưới mức cho phép. Điều này chứng tỏ tiềm năng lớn của vật liệu này trong việc xử lý ô nhiễm nước, đặc biệt là ở những khu vực bị ô nhiễm nặng.

4.2. Ứng dụng thực tiễn và triển vọng

Vật liệu oxit sắt không chỉ được ứng dụng trong phòng thí nghiệm mà còn có thể được triển khai trong các hệ thống xử lý nước quy mô lớn. Điều này mở ra cơ hội cho việc phát triển các công nghệ mới trong xử lý ô nhiễm môi trường, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về nước sạch.

V. Kết luận và tương lai của vật liệu oxit sắt

Vật liệu oxit sắt đang chứng tỏ vai trò quan trọng trong việc xử lý ô nhiễm môi trường. Với những ưu điểm vượt trội, vật liệu này hứa hẹn sẽ tiếp tục được nghiên cứu và phát triển, mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực bảo vệ môi trường.

5.1. Tương lai của nghiên cứu vật liệu oxit sắt

Nghiên cứu về vật liệu oxit sắt sẽ tiếp tục được mở rộng, đặc biệt là trong việc cải thiện khả năng hấp thụ và tách lọc. Các công nghệ mới sẽ được phát triển để tối ưu hóa quy trình xử lý ô nhiễm nước.

5.2. Định hướng phát triển bền vững

Việc ứng dụng vật liệu oxit sắt trong xử lý ô nhiễm môi trường không chỉ giúp cải thiện chất lượng nước mà còn góp phần vào phát triển bền vững. Các giải pháp này sẽ hỗ trợ trong việc bảo vệ nguồn nước và sức khỏe cộng đồng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm môi trường nước, đặc biệt là ô nhiễm kim loại nặng như asen, đang là vấn đề nghiêm trọng ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng và hệ sinh thái. Theo ước tính, tại Việt Nam, nhiều vùng như đồng bằng sông Hồng và đồng bằng sông Cửu Long có nồng độ asen trong nước ngầm vượt mức cho phép từ 10 đến 500 lần, với tỷ lệ giếng khoan nhiễm asen cao tới 80% tại một số tỉnh như Hà Nam. Asen là nguyên tố độc tính cao, có thể gây ra nhiều bệnh lý nghiêm trọng như ung thư da, phổi, gan và các bệnh về thần kinh. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là chế tạo và ứng dụng vật liệu nano oxit sắt vô định hình kết hợp với vật liệu mang MCM-41 nhằm nâng cao hiệu quả xử lý asen trong nước sinh hoạt. Nghiên cứu tập trung trong phạm vi điều kiện phòng thí nghiệm tại Việt Nam, với thời gian thực hiện từ năm 2010 đến 2012. Việc phát triển vật liệu hấp phụ có diện tích bề mặt lớn, khả năng hấp thụ kim loại nặng vượt trội sẽ góp phần quan trọng trong việc xử lý ô nhiễm asen, giảm thiểu tác động tiêu cực đến sức khỏe con người và môi trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: lý thuyết về vật liệu nano oxit sắt và lý thuyết về vật liệu mao quản trung bình (MCM-41). Vật liệu nano oxit sắt Fe2O3 tồn tại dưới nhiều pha tinh thể như α (hematite), γ (maghemite), β và ε, trong đó pha vô định hình có kích thước hạt nano khoảng 5 nm được chú trọng do khả năng hấp phụ kim loại nặng vượt trội. Vật liệu MCM-41 là vật liệu mao quản trung bình có cấu trúc lục giác, diện tích bề mặt lớn khoảng 1000 m²/g, được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt với chất định hướng cấu trúc CTAB và nguồn silic TEOS. Ba khái niệm chính được sử dụng gồm: hấp phụ vật lý và hóa học, động học hấp phụ (khuếch tán màng và khuếch tán trong hạt), và đẳng nhiệt hấp phụ (Langmuir và Freundlich). Lý thuyết hấp phụ giúp giải thích cơ chế loại bỏ asen khỏi dung dịch nhờ sự tích tụ trên bề mặt vật liệu.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu vật liệu nano Fe2O3 vô định hình và MCM-41 được chế tạo trong phòng thí nghiệm. Phương pháp chế tạo Fe2O3 sử dụng kỹ thuật vi sóng với thời gian 15 phút, công suất 750 W, nhằm tạo hạt nano kích thước nhỏ, đồng nhất. Vật liệu MCM-41 được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt với CTAB làm chất định hướng cấu trúc, TEOS làm nguồn silic, và điều chỉnh pH trong khoảng 9-10, quá trình kết tinh kéo dài 3 ngày. Phân tích cấu trúc vật liệu được thực hiện bằng phổ nhiễu xạ tia X (XRD), kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX). Phân tích hiệu quả hấp phụ asen được tiến hành bằng phương pháp hấp phụ trong dung dịch chuẩn, đo nồng độ asen trước và sau xử lý bằng máy hấp thụ nguyên tử (AAS) và khối phổ plasma cảm ứng (ICP-MS). Cỡ mẫu vật liệu và dung dịch được chuẩn hóa, các thí nghiệm được lặp lại để đảm bảo độ tin cậy. Thời gian nghiên cứu kéo dài khoảng 2 năm, từ tổng hợp đến đánh giá hiệu quả xử lý.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Chế tạo thành công vật liệu nano Fe2O3 vô định hình: Qua phổ XRD, mẫu Fe2O3 mới chế tạo không có đỉnh nhiễu xạ đặc trưng, chứng tỏ dạng vô định hình. Khi nung ở 300 °C xuất hiện pha γ-Fe2O3, và từ 400 °C trở lên chuyển sang pha α-Fe2O3 tinh thể rõ ràng. Kích thước hạt nano khoảng 5 nm, đồng nhất nhờ phương pháp vi sóng.
2. Tổng hợp vật liệu MCM-41 có diện tích bề mặt lớn: Vật liệu MCM-41 có cấu trúc mao quản lục giác, diện tích bề mặt đạt khoảng 1000 m²/g, phù hợp làm vật liệu mang cho oxit sắt nano.
3. Hiệu quả hấp phụ asen vượt trội khi kết hợp Fe2O3 vô định hình và MCM-41: Quá trình hấp phụ asen đạt hiệu suất trên 90% trong điều kiện pH từ 6 đến 8, thời gian hấp phụ tối ưu khoảng 60 phút. Nồng độ asen ban đầu 100 µg/L giảm xuống dưới 10 µg/L, đạt tiêu chuẩn nước sinh hoạt.
4. Ảnh hưởng của pH và nồng độ asen ban đầu: pH ảnh hưởng lớn đến khả năng hấp phụ, pH tối ưu là 7. Nồng độ asen càng cao thì dung lượng hấp phụ càng lớn nhưng hiệu suất giảm nhẹ do bão hòa bề mặt vật liệu.

Thảo luận kết quả

Kết quả XRD và TEM cho thấy phương pháp vi sóng giúp tạo ra hạt nano Fe2O3 vô định hình có kích thước nhỏ và đồng đều, tạo điều kiện thuận lợi cho hấp phụ asen nhờ diện tích bề mặt lớn và hoạt tính bề mặt cao. Việc kết hợp với vật liệu MCM-41 giúp khắc phục nhược điểm khó tách hạt nano ra khỏi nước do kích thước nhỏ, đồng thời tăng diện tích bề mặt tiếp xúc và khả năng hấp phụ. So với các nghiên cứu trước đây sử dụng Fe2O3 tinh thể, vật liệu vô định hình cho hiệu quả hấp phụ asen cao hơn khoảng 15-20%. Phân tích động học hấp phụ cho thấy quá trình hấp phụ bị chi phối bởi khuếch tán màng và khuếch tán trong hạt, phù hợp với mô hình Langmuir, chứng tỏ hấp phụ đơn lớp và đồng nhất trên bề mặt vật liệu. Các yếu tố như pH và nồng độ asen ban đầu ảnh hưởng trực tiếp đến trạng thái ion asen và tương tác với bề mặt vật liệu, giải thích cho sự biến đổi hiệu suất hấp phụ. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ hấp phụ theo thời gian, đồ thị đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich, cũng như bảng so sánh hiệu suất hấp phụ ở các điều kiện khác nhau.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Ứng dụng vật liệu nano Fe2O3 vô định hình kết hợp MCM-41 trong xử lý nước sinh hoạt: Khuyến nghị các cơ sở xử lý nước quy mô vừa và nhỏ áp dụng công nghệ hấp phụ này để loại bỏ asen, nhằm giảm nồng độ asen xuống dưới 10 µg/L trong vòng 1 giờ xử lý.
2. Phát triển quy trình sản xuất vật liệu ở quy mô công nghiệp: Đề xuất nghiên cứu mở rộng quy mô chế tạo vật liệu bằng phương pháp vi sóng và thủy nhiệt, đảm bảo chất lượng đồng nhất, chi phí hợp lý, thời gian thực hiện trong 1-2 năm.
3. Tăng cường nghiên cứu ảnh hưởng của các tạp chất trong nước: Khuyến nghị khảo sát tác động của các ion cạnh tranh như phosphat, silicat, sunfat đến hiệu quả hấp phụ asen để tối ưu hóa vật liệu và quy trình xử lý.
4. Xây dựng hệ thống tách lọc vật liệu nano sau xử lý: Đề xuất phát triển công nghệ li tâm hoặc lọc màng để thu hồi vật liệu nano Fe2O3 sau quá trình hấp phụ, đảm bảo không gây ô nhiễm thứ cấp cho môi trường.
5. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Khuyến nghị tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật cho cán bộ kỹ thuật và doanh nghiệp nhằm phổ biến công nghệ xử lý asen hiệu quả, góp phần bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Vật lý chất rắn, Hóa học vật liệu: Luận văn cung cấp kiến thức sâu về chế tạo và phân tích vật liệu nano oxit sắt và MCM-41, phù hợp cho nghiên cứu phát triển vật liệu mới.
2. Chuyên gia môi trường và kỹ sư xử lý nước: Tham khảo để áp dụng công nghệ hấp phụ asen bằng vật liệu nano trong xử lý nước sinh hoạt và nước thải công nghiệp.
3. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu và thiết bị xử lý nước: Hướng dẫn quy trình tổng hợp vật liệu hiệu quả, giúp nâng cao chất lượng sản phẩm và mở rộng ứng dụng trong ngành xử lý nước.
4. Cơ quan quản lý môi trường và y tế công cộng: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng chính sách, tiêu chuẩn kiểm soát ô nhiễm asen trong nước sinh hoạt, bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

Câu hỏi thường gặp

1. Vật liệu nano Fe2O3 vô định hình có ưu điểm gì so với các dạng oxit sắt khác?
   Vật liệu vô định hình có kích thước hạt nhỏ (~5 nm), diện tích bề mặt lớn, hoạt tính hấp phụ cao hơn so với các pha tinh thể như α-Fe2O3, giúp tăng hiệu quả loại bỏ asen trong nước.

2. Tại sao cần kết hợp Fe2O3 với vật liệu MCM-41?
   MCM-41 có cấu trúc mao quản đều, diện tích bề mặt lớn, giúp phân tán và giữ các hạt nano Fe2O3, đồng thời dễ dàng tách lọc vật liệu sau xử lý, khắc phục nhược điểm khó thu hồi hạt nano đơn lẻ.

3. Quá trình hấp phụ asen phụ thuộc vào những yếu tố nào?
   Các yếu tố chính gồm pH dung dịch, nồng độ asen ban đầu, thời gian tiếp xúc, và sự hiện diện của các ion cạnh tranh trong nước, ảnh hưởng đến trạng thái ion asen và tương tác với bề mặt vật liệu.

4. Phương pháp chế tạo vật liệu nano Fe2O3 sử dụng vi sóng có ưu điểm gì?
   Phương pháp vi sóng giúp gia nhiệt nhanh, đồng đều, rút ngắn thời gian chế tạo (15 phút), tạo hạt nano kích thước nhỏ, đồng nhất và độ tinh khiết cao so với các phương pháp truyền thống.

5. Hiệu quả xử lý asen của vật liệu này có thể đạt được mức nào?
   Trong điều kiện tối ưu, vật liệu có thể giảm nồng độ asen từ khoảng 100 µg/L xuống dưới 10 µg/L trong vòng 60 phút, đạt tiêu chuẩn nước sinh hoạt theo WHO.

Kết luận

• Đã chế tạo thành công vật liệu nano Fe2O3 vô định hình kích thước ~5 nm bằng phương pháp vi sóng, kết hợp với vật liệu MCM-41 có diện tích bề mặt lớn.
• Vật liệu tổng hợp có khả năng hấp phụ asen hiệu quả, đạt trên 90% trong điều kiện pH trung tính và thời gian 60 phút.
• Phân tích cấu trúc và động học hấp phụ cho thấy quá trình hấp phụ tuân theo mô hình Langmuir, hấp phụ đơn lớp và đồng nhất.
• Nghiên cứu góp phần phát triển vật liệu hấp phụ mới, thân thiện môi trường, ứng dụng trong xử lý nước sinh hoạt ô nhiễm asen tại Việt Nam.
• Đề xuất mở rộng nghiên cứu quy mô công nghiệp, khảo sát ảnh hưởng tạp chất và phát triển công nghệ tách lọc vật liệu nano sau xử lý.

Khuyến nghị các tổ chức nghiên cứu và doanh nghiệp phối hợp triển khai thử nghiệm quy mô lớn, đồng thời đào tạo nhân lực kỹ thuật để ứng dụng công nghệ xử lý asen hiệu quả, góp phần bảo vệ sức khỏe cộng đồng và môi trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

phần mở đầu. Sự phát minh ra loại vật liệu MQTB họ M41S với những ưu điểm của nó đã giúp cho xúc tác dị thể mở ra một hướng phát triển mới. Từ phương pháp tổng hợp vật liệu MQTB của các nhà nghiên cứu của hãng Mobil [5], ngày nay người ta đã điều chế được vật liệu MQTB không chứa silic như các oxit kim loại. Các oxit này vốn có diện tích bề mặt hạn chế nhưng có hoạt tính xúc tác, hấp phụ tốt lại rẻ tiền.

Việc thay thế một phần silic trong mạng lưới vật liệu MQTB MCM-41 [4] bằng một số kim loại đã làm thay đổi rất lớn hoạt tính xúc tác cũng như độ bền của chúng. Người ta đã ứng dụng chúng vào phản ứng crackinh các phân đoạn dầu nặng, phản ứng trùng ngưng, phản ứng ankyl hóa Fridel-Crafts, phản ứng peoxit hóa các olefin, đặc biệt là các olefin có kích thước phân tử lớn [9, 19]. 10 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Nhờ ưu điểm diện tích bề mặt lớn khoảng 1000 m2/g [4], hệ mao quản đồng đều và độ trật tự cao, vật liệu MCM-41 được dùng làm chất mang kim loại cũng như oxit kim loại lên bề mặt của chúng để thực hiện phản ứng xúc tác theo mong muốn. Ví dụ: Pd-MCM-41 thể hiện tính chất xúc tác chọn lọc hóa học trong nhiều phản ứng hidro hóa như chuyển xiclohexen thành xiclohexan,… Ngày nay, người ta có thể phân tán các hạt siêu mịn kích thước nano, đặc biệt là nano kim loại, oxit kim loại quý hiếm có hoạt tính xúc tác cao lên bề mặt của vật liệu MQTB để làm tăng tính chọn lọc, khiến cho giá thành sản phẩm giảm đáng kể.

Fe-MCM-41 được Choi J. và các cộng sự [18] nghiên cứu ứng dụng oxi hóa phenol năm 2006. Phân loại vật liệu MQTB:  Phân loại theo cấu trúc + Cấu trúc lục lăng (hexagonal): MCM-41, SBA-15,. + Cấu trúc lập phương (cubic): MCM-48, SBA-16,.

+ Cấu trúc lớp (laminar): MCM-50,. + Cấu trúc không trật tự (disordered): KIT-1, L3,. a - Lục lăng b - Lập phương c - Lớp Hình 1. Các dạng cấu trúc vật liệu MQTB [5] Phân loại theo thành phần 11 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] + Vật liệu MQTB chứa silic như: MCM–41, Al–MCM–41, Ti–MCM–41, Fe– MCM–41, MCM–48, SBA–15 , SBA–16.

+ Vật liệu MQTB không phải silic như: ZrO2, TiO2 MQTB, Fe2O3,. Phương pháp tổng hợp vật liệu MQTB 1. Chất định hướng cấu trúc Templat [15] hay chất định hướng cấu trúc là tác nhân định hình mạng lưới cấu trúc trong quá trình hình thành vật liệu. Sự có mặt templat trong gel góp phần làm ổn định mạng lưới nhờ tương tác hidro, tương tác tĩnh điện, tương tác Vander Walls.Tác nhân này sẽ định hình cấu trúc vật liệu thông qua sự định hình của chúng.Để tổng hợp vật liệu MQTB MCM-41, người ta sử dụng chất ĐHCT là CTAB.Dựa vào nguyên tắc trên để tổng hợp vật liệu như ý muốn.2 Cơ chế hình thành vật liệu MQTB Có rất nhiều cơ chế đã được đưa ra để giải thích quá trình hình thành các loại vật liệu MQTB.

Các cơ chế này đều có một đặc điểm chung là có sự tương tác của các chất định hướng cấu trúc với các tiền chất vô cơ trong dung dịch. Để tổng hợp vật liệu MQTB cần có ít nhất 3 hợp phần: + Chất ĐHCT đóng vai trò làm tác nhân định hướng cấu trúc vật liệu. + Nguồn vô cơ như silic nhằm hình thành nên mạng lưới mao quản. + Dung môi (nước, bazơ,…) đóng vai trò chất xúc tác trong quá trình kết tinh.

12 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Chất định hướng cấu trúc + Tiền chất silicat   Hình 1.Sơ đồ tổng quát hình thành vật liệu MQTB [15] 1. Cơ chế định hướng theo cấu trúc tinh thể lỏng (Liquyd Crystal Templating): Cơ chế này được các nhà nghiên cứu của hãng Mobil đề nghị [5] để giải thích sự hình thành vật liệu M41S. TËp hî p d¹ ng Mixen Mixen d¹ ng que lôc l¨ ng MCM-41 Silicat Nung Hình 1.Cơ chế định hướng theo cấu trúc tinh thể lỏng Theo cơ chế này , trong dung dịch các chất định hướng cấu trúc tự sắp xếp thành pha tinh thể lỏng có dạng mixen ống, thành ống là các đầu ưa nước của các phân tử chất định hướng cấu trúc và đuôi là phần kị nước hướng vào trong. Các mixen ống này đóng vai trò làm tác nhân tạo cấu trúc và sắp xếp thành cấu trúc tinh thể lỏng dạng lục lăng.

Sau khi thêm nguồn silic vào dung dịch, các phần tử chứa silic tương tác với đầu phân cực của chất định hướng cấu trúc thông qua tương tác tĩnh điện với đầu phân cực của chất định hướng cấu trúc thông qua tương tác tĩnh điện (S+I-, S-I+, trong đó S là chất định hướng cấu trúc, I là tiền chất vô cơ) hoặc tương tác hidro (S0I0) và hình thành 13 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] nên lớp màng silicat xung quanh mixen ống, quá trình polyme hóa ngưng tụ silicat tạo nên tường vô định hình của vật liệu oxit silic MQTB. Các dạng silicat trong dung dịch có thể đóng vai trò tích cực trong việc định hướng sự hình thành pha hữu cơ và vô cơ. Mặt khác, các phân tử chất định hướng cấu trúc có vai trò quan trọng trong việc thay đổi kích thước mao quản. Thay đổi phần kị nước của chất định hướng cấu trúc có thể làm thay đổi kích thước mao quản mixen, do đó tạo ra khả năng chế tạo các vật liệu MQTB có kích thước mao quản khác nhau.

Ngoài ra, còn có một số cơ chế khác có cùng ý tưởng được đưa ra nhằm bổ sung cho cơ chế trên. Cơ chế sắp xếp silicat ống (Silicate rod Assembly) David và các cộng sự đã dựa trên phổ 14N-NMR nhân thấy rằng trong quá trình tổng hợp MCM-41, pha tinh thể lỏng dạng lục lăng của chất định hướng cấu trúc không hình thành trước khi thêm silicat. Họ giả thiết rằng có sự hình thành 2 hoặc 3 lớp mỏng silicat trên một mixen ống chất định hướng cấu trúc riêng biệt, các ống này ban đầu sắp xếp hỗn loạn, sau đó mới hình thành cấu trúc lục lăng. Quá trình gia nhiệt và làm già dẫn đến quá trình ngưng tụ của silicat tạo thành hợp chất MQTB MCM-41.

14 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] (1) (2) (3) (4) Silicat tô TiÕp tôc ng­ ng tô s©u h¬n + + + - - - + + + + + + O O O - - - - - - HO Si O Si O Si OH O O O O O O HO HO HO O O O HO Si O Si O Si OH HO Si O Si O Si OH H 2O HO Si OH HO Si OH HO Si OH HO Si O Si O Si OH O O O O O O + + + O O HO H O HO HO Si O Si O Si OH HO Si O Si O Si OH O HO Si OH HO Si OH HO Si OH HO H O HO O H O O - - - HO H O HO HO + + + (1) O O O (2) H O HO H O (3) HO Si O Si O Si OH (4) HO Si O Si O Si OH + + + HO Si O Si O Si OH O O O O O O O O O HO Si O Si O Si OH HO Si O Si O Si OH - - - - - - HO Si O Si O Si OH O O O O O O - - - + + + + + + O O O + + + Hình 1.Cơ chế sắp xếp silicat ống 1. Cơ chế lớp silicat gấp (Silicate Layer puckering) Theo Steel và các cộng sự, các ion chứa silic hình thành trên các lớp và các mixen ống của chất định hướng cấu trúc.Quá trình làm già hỗn hợp làm cho các lớp này gấp lại, đồng thời sự ngưng tụ silicat xảy ra hình thành nên cấu trúc MQTB. Cơ chế phù hợp mật độ điện tích (Charge Disnity Matching) Một giả thiết khác của Stucky và các cộng sự [29, 31] cho rằng pha ban đầu của hỗn hợp tổng hợp các cấu trúc lớp mỏng được hình thành từ sự tương tác giữa ion silicat và các cation của chất định hướng cấu trúc. Khi các phân tử silicat bị uốn cong để cân bằng mật độ điện tích với nhóm chức của chất định hướng cấu trúc, do đó cấu trúc MQTB lớp mỏng chuyển thành cấu trúc MQTB lục lăng.

15 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.Cơ chế phù hợp mật độ điện tích [27] 1. Cơ chế phối hợp tạo cấu trúc (Cooperative Templating) Cơ chế này được Huo và các cộng sự đề nghị [29, 31]. Trong một số trường hợp, nồng độ chất định hướng cấu trúc có thể thấp hơn nồng độ cần thiết để tạo ra cấu trúc tinh thể lỏng hay thậm chí là dạng mixen. Theo cơ chế này, trước khi thêm nguồn silic vào, các phân tử định hướng cấu trúc nằm ở trạng thái cân bằng động giữa mixen ống, mixen cầu và các phân tử chất định hướng cấu trúc riêng rẽ.

Khi thêm nguồn silic vào, các dạng silicat đa điện tích thay thế các ion đối của các chất định hướng cấu trúc, tạo thành các cặp ion hữu cơ – vô cơ. Chúng tự sắp xếp tạo thành pha silic. Bản chất của các pha trung gian này được khống chế bởi các tương tác đa phối trí. 16 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.

Cơ chế phối hợp tạo cấu trúc [27] 1. Phương pháp thủy nhiệt [6] Có nhiều phương pháp tổng hợp vật liệu MCM-41 như phương pháp sol-gel [11, 16], phương pháp đồng kết tủa, phương pháp nhiệt luyện,…Ở đây, chúng tôi dùng phương pháp thủy luyện để tổng hợp vật liệu. Vì phương pháp này khá đơn giản, phù hợp với điều kiện phòng thí nghiệm của chúng ta hiện nay. Hỗn hợp phản ứng được đưa vào autoclave (bình teflon) ở dạng huyền phù hidroxit hay ankoxit, kết tinh được thực hiện ở nhiệt độ thấp từ 100 – 170 0C, áp suất tự sinh từ 1 đến vài chục atm, tránh được việc nung nhiều giai đoạn như phương pháp sol- gel.

Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏi phải xử lý nhiệt trong nhiều giờ vì tốc độ phản ứng chậm. Phương pháp thủy nhiệt không phải là mới, nó được ứng dụng từ thế kỷ trước để tổng hợp các khoáng vật, điều hấp dẫn này được Morey mô tả vào năm 1953. Ngày nay, kỹ thuật thủy nhiệt được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp để hòa tan quặng boxit. Sau đó kết tủa thu được Al(OH)3 đem dùng làm chất đầu cho việc tổng hợp zeolit.

Tuy nhiên, chỉ trong những năm gần đây, phương pháp này mới thu hút sự 17 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.