Nghiên cứu chế tạo vật liệu thu gom xử lý dầu tràn có chứa hạt nano sắt từ

  • Số trang: 20 |
  • Loại file: DOC |
  • Lượt xem: 18 |
  • Lượt tải: 0
hoanggiang80

Đã đăng 24000 tài liệu

Mô tả:

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO HÀ NỘI TRƯỜNG THCS & THPT NGUYỄN TẤT THÀNH - CẦU GIẤY ************** ĐỀ TÀI DỰ THI KHOA HỌC, KỸ THUẬT DÀNH CHO HỌC SINH TRUNG HỌC CẤP THÀNH PHỐ LẦN THỨ TƯ (NĂM HỌC 2014 - 2015). Tên đề tài: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU THU GOM XỬ LÍ DẦU TRÀN CÓ CHỨA HẠT NANO SẮT TỪ Lĩnh vực: Quản lí môi trường NGƯỜI HƯỚNG DẪN TÁC GIẢ: - TS.Nguyễn Tiến Dũng - Đơn vị công tác: Khoa Hóa học, trường Đại học Sư phạm Hà Nội 1. Đinh Tiến Dũng, Lớp: 11A2, Trường: THCS & THPT Nguyễn Tất Thành 2. Hoàng Minh Quang, Lớp:11A2, Trường: THCS & THPT Nguyễn Tất Thành Hà Nội, tháng 11 năm 2014 1 MỤC LỤC Phần I: Lí do chọn đề tài Phần II: Tổng quan vấn đề nghiên cứu Phần III: Quá trình nghiên cứu và kết quả Phần IV: Kết luận Tài liệu tham khảo Trang 3 4 5 19 20 2 Phần I: Lí do chọn đề tài Ô nhiễm các sự cố tràn dầu thực sự là một thảm họa đối với sinh vật thủy sinh, việc xử lý ô nhiễm tràn dầu cũng vì thế mà được nhiều nhà khoa học trong nước và Quốc tế hết sức quan tâm. Với sản lượng sản xuất và tiêu thụ dầu hàng năm rất lớn, việc vận tải và rò rỉ trong khi sản xuất, khai thác và chế biến dầu mỏ thường gây ra những ô nhiễm nghiêm trọng. Một số vụ tràn dầu rất lớn gần đây đã gây hậu quả hết sức nghiêm trọng: - Ngày 20/4/2010 thảm họa Deepwater Horizon đã được các ước tính mới nhất của chính phủ Hoa Kỳ xác nhận là sự cố rò rỉ dầu ra biển lớn nhất từ trước tới nay. Hơn 750.000 lít dầu thô rò rỉ mỗi ngày từ giàn khoan dầu Deepwater Horizon của Hãng dầu khí Anh BP trên vịnh Mexico đã lan ra xa gần 200km tới vùng cửa sông Mississippi, đe dọa hệ sinh thái ngập mặn Louisiana, dọc vịnh Mexico. - Ngày 5/10/2013 hàng chục nghìn lít dầu FO trôi dạt từ tàu Bright Royal (quốc tịch Panama) đã lan ra 60 hải lý và có nguy cơ gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng cho huyện đảo Lý Sơn (Quảng Ngãi). Trước những nguy cơ gây ô nhiễm rất lớn của sự cố tràn dầu, những vệt dầu loang, vấn đề cấp bách phải xử lý các ô nhiễm đó, chúng tôi đã nghiên cứu để có thể chế tạo vật liệu hấp thu dầu trên cơ sở tổng hợp vật liệu polyme và hạt oxit sắt có từ tính. Vật liệu trên cơ sở ghép giữa polyme và hạt ôxit sắt có khả năng hấp thu dầu và có thể thu hồi được bằng từ trường, vật liệu có thể giải hấp bằng nhiệt và có thể sử dụng được nhiều lần hấp thu. 3 Phần II: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu - Vật liệu polyme hấp thu dầu thường có nhóm ưa dầu, kị nước và trương được trong dầu, không bị hòa tan trong dầu. Các vật liệu được sử dụng nhiều là những vật liệu polyme thiên nhiên như: sợi bông, sợi đay, bã mía, sợi kenaf, sợi kapok… các loại giấy thấm dầu. Các polyme thiên nhiên có ưu điểm là rẻ tiền, dễ kiếm và dễ chế tạo tuy nhiên nhược điểm lớn là chúng ưa nước, thông thường chúng hút nước và tồn tại lơ lửng trong nước điều này làm ô nhiễm xử lý không triệt để và vẫn gây ra độc hại với động thực vật thủy sinh. Các polyme tổng hợp thường dung hơn nhưng có nhược điểm là khó thu hồi khi ở dạng hạt, nếu ở dạng tấm miếng thì lại không cơ động trong việc hấp thu và khó tái sử dụng sau khi hấp thu và thường không giải hấp được. - Nhóm nghiên cứu của chúng tôi dựa trên cơ sở polystyren là vật liệu ưa dầu dạng hạt dẻo, chúng tôi đã tiến hành thực nghiệm trùng hợp huyền phù styren và divinylbenzen để tạo co-polyme, vật liệu thu được có khả năng hấp thu dầu tốt, chúng hấp thu được khoảng 5-6g dầu nặng DO trên mỗi gam vật liệu. Để có thể thu hồi chúng được dễ dàng chúng tôi phân tán hạt oxit sắt trong hỗn hợp 2 monome rồi tiến hành trùng hợp. Vật liệu thu được có khả năng hút dầu rất tốt đồng thời có thể sử dụng nam châm để hút lại được. Sau khi thu hồi, với xăng hoặc dầu nhẹ có thể sử dụng nhiệt để cất tách xăng dầu ra khỏi vật liệu để tái sử dụng, tuy nhiên với dầu nặng thì không tách được do nhiệt phân hủy của vật liệu không cao hơn nhiều so với nhiệt độ sôi của dầu nặng. - Những điểm mới trong nghiên cứu này: + Sử dụng hệ polyme styrene và divinylbenzen để hấp thu dầu, đây là nghiên cứu mới chưa có nhóm nghiên cứu nào trong nước thực hiện. + Đưa hạt ôxit sắt vào trong vật liệu để thu hồi, có những nghiên cứu tương tự nhưng họ dung trực tiếp vật liệu từ để tách dầu chứ không dung với mục đích thu hồi vật liệu như nhóm nghiên cứu của chúng tôi. 4 Phần III: Quá trình nghiên cứu và kết quả Cơ sở lý thuyết: Quá trình trùng hợp tạo polyme dựa trên các phản ứng trùng hợp diễn ra như sau: - Tạo gốc tự do: Dưới tác dụng của nhiệt độ, benzoyl peoxit phân huỷ thành gốc cacboxy benzoyl: C O O to O C . C O O Các gốc này có thể chuyển hoá tiếp: . C O 2 (2) + C O O C O O O (1) C O O O . 2 . 2 + (3) C O O . C O (4) O O . + C C O O O C + . (5) O O Ký hiệu các gốc tồn tại trong quá trình phản ứng là: . R . C O , O . - Phản ứng khơi mào: Để rút gọn công thức trong khi viết cơ chế, ký hiệu các gốc như sau: X là: -C6H5, Y là: -C6H4-CH=CH2 (6) R • tấn công vào monome tạo gốc khơi mào: 5 . r . r + . ch 2= ch r - ch 2- c h x x + (7) . ch2= ch r - ch 2- c h (8) y y - Phản ứng phát triển mạch: . ch 2- c h + x . k11 ch 2= ch ch 2 - ch - ch 2- c h X x x (9) Quá trình phản ứng đồng trùng hợp hai monome xảy ra rất phức tạp, nhưng bất kể đặc tính xảy ra như thế nào thì phản ứng phát triển mạch cũng xảy ra theo hướng sau: . ch 2- c h x . k12 ch 2= ch + ch2 - ch - ch 2- c h Y . ch 2- c h x ch 2= c h + ch 2- ch - ch 2- c h Y Y . ch 2- c h . k 21 ch 2- ch - ch 2- c h x Y (11) Y Y ch 2= c h + Y . k 22 (10) (12) X Y - Phản ứng đứt mạch: . ch 2- ch - ch 2- c h x + x . ch 2- ch - ch 2- c h x x ch 2- ch - ch 2- c h x x 2 (13) Kết hợp gốc đang phát triển: 6 . ch 2- ch - ch 2- c h y + . ch 2- ch - ch 2- c h y ( 1 4 ) x x ch 2- ch - ch 2- c h - ch 2- ch - ch 2- ch y y . ch 2- ch - ch 2- c h + . ch 2- ch - ch 2- c h y y ch 2- ch - ch 2- c h y y x x y y 2 (15) . ch 2- ch - ch 2- c h y + . ch 2- ch - ch 2- c h x x y ch 2- ch - ch 2- c h - ch 2- ch - ch 2- ch x y y x (16) ............ Chuyển mạch theo hướng bất đối xứng 2 . ch 2- ch - ch 2- c h ch 2- ch - ch 2- ch 2 y y + y y ch 2- ch - ch = ch y y (17) 2 . ch 2- ch - ch 2- c h x x . ch 2- ch - ch 2- c h y ch 2- ch - ch 2- ch 2 x x x + + ch 2- ch - ch = ch x x . ch 2- ch - ch 2- c h y y ch 2- ch - ch 2 - ch 2 x y + ch 2- ch - ch = ch y y (18) 7 (19) Sản phẩm thu được là một hỗn hợp có chứa monome dư, oligome, copolyme, homopolyme..., tỷ lệ các cấu tử này khác nhau phụ thuộc vào bản chất của từng thành phần, mức độ ổn định, kích thước của các cấu tử, nhiệt độ, chất khơi mào, nồng độ monome, tốc độ khuấy trộn. . Một số phương pháp hoá học điều chế hạt nano oxit sắt từ - Phương pháp oxi hoá Fe2+ Nguyên tắc của phương pháp là thuỷ phân muối Fe2+ví dụ như muối FeSO4.7H2O hay FeCl2.4H2O bằng cách thêm một bazơ ví dụ như NH4OH hay NaOH trong không khí và ở những điều kiện t 0, pH phù hợp. Lọc và sấy khô trong không khí ở t0 phòng hạt sắt từ. Nồng độ chất đầu và tốc độ kết tủa là 2 nhân tố quan trọng quyết định kích thước hạt. Nồng độ đầu và tốc độ kết tủa càng nhỏ thì kích thước hạt càng nhỏ. Động học của phản ứng oxi hóa Fe 2+ chậm và khó điều khiển, thường người ta nên tránh sử dụng phương pháp này. Sử dụng FeCl2.4H2O và dung dịch NH3 0.07M, phản ứng tiến hành ở 80oC-90oC. Lọc và sấy khô qua đêm trong không khí ở t 0 phòng hạt sắt từ, đã thu được một số kết quả sau: Bảng 1.5. Sự phụ thuộc kích thước hạt, thể tích đơn vị tế bào, độ từ hoá bão hoà vào nồng độ FeCl2 Mẫu Nồng độ Kích thước Thể tích tế bào MS o 3 số (%) hạt (nm) đơn vị (A ) 28 0.25 6.4 592.7 1.1 32 0.05 10.8 587.7 2.6 34 0.60 37.8 586.5 2.3 37 3.00 91.4 586.4 2.0 Kết quả: - Các hạt tạo được đều có dạng hình cầu - Mẫu 28 và 32 là đơn pha - Mẫu 34 và 37 đều lẫn .Fe2O3 lần lượt là 12% và 7 % Khi nồng độ chất đầu giảm thì kích thước hạt giảm, đồng thời độ tinh 8 khiết của sản phẩm tăng. Hiệu ứng kích thước hạt dẫn đến thể tích tế bào đơn vị được mở rộng. Thể tích tế bào đơn vị được mở rộng là do tăng lượng ion Fe 2+ trong mẫu vì bán kính ion Fe 2+ 0,74 A0 lớn hơn bán kính ion Fe 3+ 0,64 A0, cũng đồng nghĩa với tăng độ tinh khiết của sản phẩm. Phương pháp thuỷ phân cưỡng chế Phương pháp thuỷ phân cưỡng chế là một phương pháp lý thuyết dựa trên cơ chế hình thành và phát triển các mầm tinh thể. Trong dung môi thích hợp, sự thuỷ phân tạo ra các ion đa nhân chứa những cầu OH như M-OH-M hay cầu oxi như M-O-M là tiền thân của nhân mầm tinh thể. Trong dung dịch, ion kim loại M z+ bị hidrat hoá. Bản chất của quá trình này do sự nhường e- của phân tử H2O  hình thành liên kết yếu giữa cation trung tâm và O. [M(H2O)n]z+  [M(OH)p(H2O)n-p](z-p)+ + pH+ - Cơ chế của sự thuỷ phân: z  H H  H2On1 M  O  . .O  H2On1 MOH (z1)  H3O H H  Phức aquơ H O MOH 2 n 1 ( z 1) Phức hydroxo H  O   H 2On1 M O  H3O H ( z  2 ) z  ( z  1)  H   H 2O n 1 MOH    O  M OH 2  n 1   H  H   |   H 2 O  n 1 M  O  M OH 2  n 1      Phức oxo ( 2 z  1)  H 2O Có thể ngưng tụ thành phức đa nhân  keo hoá Nhờ quá trình ngưng tụ mà mônome  đime  trime  ... polime. Sau đó phát triển thành hạt keo  gel  hạt. Đặc điểm của phương pháp là khống chế nghiêm ngặt điều kiện của quá 9 trình thuỷ phân: về nhiệt độ, áp suất, môi trường phản ứng. Phương pháp này đã đươc dùng để tổng hợp nên các oxit phức hợp như YOHCO3, CoFe2O4 ... Phương pháp đồng kết tủa: Phương pháp thực chất là tạo ra những oxit phức hợp thông qua các dạng kết trung gian. Yêu cầu quan trọng trước hết của phương pháp này là hoá chất phải thật tinh khiết. Phản ứng tiến hành trong môi trường khí quyển trơ, các dung dịch chuẩn bị cho phản ứng đều phải được loại O2 cẩn thận. ưu điểm của phương pháp là không sử dụng hệ tác nhân bề mặt: Khi sol nước của hạt không chứa tác nhân bề mặt thì người ta có thể sử dụng trực tiếp, ví dụ như chèn trực tiếp vào những lớp phim polyme siêu mỏng trong ứng dụng vật liệu quang từ. Qui trình phản ứng như sau [12]: Chú thích: 1 – Van N2 2, 9 – Bình điều nhiệt 3 - Dung dịch Fe2+, Fe3+ 4 – Dung dịch kiềm 5 – Nhiệt kế 6 – Bình phản ứng 7 – Que khuấy 8 – Sinh hàn Hình: Mô hình phản ứng theo phương pháp đồng kết tủa Mở van N2 sục vào dung dịch 3 chứa Fe2+, Fe3+ và dung dịch 4 chứa NaOH, trộn lẫn 2 dung dịch và đưa vào bình phản ứng 6. Lắp sinh hàn và nhiệt kế, que khuấy. Nhiệt độ phản ứng được duy trì bởi bể ổn nhiệt 2 và 9. Kết tủa đen được hình thành ngay lập tức, khuấy mạnh trong 2h, sản phẩm được tạo thành đem lọc rửa và đem làm khô. Sử dụng dung dịch Fe2+, Fe3+ 0,25M và dung dịch NaOH 0,05M . Bình phản ứng 6 có chứa sẵn nước cất ở 800C. Khuấy trong 2 giờ ở 800C. Tác giả đã nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ lệ về số mol Fe2+/Fe3+ đến kích thước hạt:  Mẫu 1: Fe2+/Fe3+ = 0,5 10  Mẫu 2: Fe2+/Fe3+= 1 Và đã thu được kết quả như sau: Mẫu 1: hình cầu, phân bố kích thước hẹp; d = 5,9 nm Mẫu 2: dạng hạt gần giống hình lập phương; d =12,8 nm Kích thước hạt ở mẫu 2 lớn hơn mẫu 1, do trong mẫu 2 có sự oxi hoá chậm lượng dư Fe (II) Fe(III): Fe2+ + 2 OH-  Fe(OH)2 O2 Fe(OH)2 ----> Fe3O4 + H2O Bán kính ion Fe2+ ( 0,74 A0) lớn hơn bán kính ion Fe 3+ ( 0,64 A0), do đó lượng dư Fe2+ là nguyên nhân gây ra sự tăng kích thước hạt. Một số lưu ý khi tiến hành phương pháp đồng kết tủa: + Tỉ lệ Fe2+/Fe3+: Do các muối Fe2+ rất dễ bị oxi hoá nên thực tế thường lấy tỉ lệ về số mol Fe2+/Fe3+ > 0,5. Tuy nhiên nếu hoá chất tinh khiết đến 99.9 % và các biện pháp ngăn ngừa sự oxi hóa được tiến hành một cách nghiêm ngặt thì nên lấy đúng tỉ lệ hợp thức nhằm mục đích tạo ra hạt sắt từ đơn pha. + Bazơ: Do khả năng phân cực cao của những cation kim loại kiềm hoặc dung dịch NH3, do năng lượng bề mặt cao của các hạt nano sắt từ nên các hạt thường bị kết tụ. Để ngăn ngừa hiện tượng này, người ta đã tiến hành rất nhiều các phương pháp khác nhau. Một trong những phương pháp đó là sử dụng TAMOH (tetrametyl amoni hidroxi) thay cho NaOH, NH4OH, vì cation N(CH3)4+ có khả năng phân cực hoá thấp. + Nồng độ: Nồng độ tác nhân phản ứng nên  0,1M. Nếu nồng độ quá đặc, hạn chế sự tham gia của H 2O vào trong quá trình phản ứng do đó làm tăng khả năng kết tụ. +Nhiệt độ: Nhiệt độ ảnh hưởng đến tốc độ phát triển của tinh thể do đó ảnh hưởng đến hình dạng và kích thước hạt. Nhiệt độ tăng, thời gian tiến hành phản ứng giảm, kích thước hạt tăng, hình dạng hạt thay đổi. + Anion: Không nên dùng SO42-, PO43- bởi đây là những anion có điện tích lớn, khả năng phân cực hoá cao. Phương pháp vi nhũ Nguyên tắc của phương pháp là tổng hợp hạt sắt từ trong một hệ vi nhũ W/O (Water/Oil) tức hệ vi nhũ nước trong dầu. Trong đó dầu là môi trường liên tục. Những hạt nước có kích thước rất nhỏ bền trong dầu chính là nơi phản ứng xảy ra để tạo ra hạt sắt từ. ưu điểm của phương pháp là hạt tạo ra phần lớn có dạng hình cầu. *Cơ chế tạo hệ vi nhũ: 11 Hệ vi nhũ thường bao gồm một pha hữu cơ đóng vai trò làm dung môi, một chất hoạt động bề mặt và một chất tan trong H2O. Phần đầu phân cực của chất hoạt động bề mặt phân tán trong H2O và phần đuôi không phân cực phân tán trong pha hữu cơ. *Giới thiệu một số hệ vi nhũ: a. Hệ gồm H2O/AOT/ n-heptan Trong đó AOT là Natri bis (2-etyl hexyl sunfo sucxinat) đóng vai trò làm tác nhân bề mặt. b. Hệ gồm H2O/ C2H5OH/ DBS/ toluen Pha hữu cơ là toluen, tác nhân bề mặt là dodexyl benzen sunfonat C12H25C6H6(SO3Na), C2H5OH là tác nhân phụ có vai trò tương tự như một chất hoạt động bề mặt. C2H5OH tan vô hạn trong nước, nhóm etyl không phân cực giúp phân tán tốt hơn trong pha hữu cơ. *Phương pháp vi nhũ: Dung dịch FeCl2, FeCl3 trộn theo tỉ lệ 1:1 ®¸nh tan trong bÓ siªu ©m Chất hoạt động bề mặt/ pha hữu cơ Dung dịch của một bazơ ví dụ như NH4OH hay NaOH Chất hoạt động bề mặt/ pha hữu cơ ®¸nh tan trong bÓ siªu ©m Hệ vi nhũ I Hệ vi nhũ II Sơ đồ tổng hợp hạt oxit sắt từ bằng phương pháp vi nhũ Trộn lẫn 2 hệ vi nhũ trong môi trường khí quyển N2, khuấy tốc độ cao. Sản phẩm được li tâm, rửa, làm khô trong chân không. - Tổng hợp vật liệu: + Hóa chất và dụng cụ: Hóa chất: - Styren C8H8 (C6H5-CH=CH2) (St - Trung Quốc): d420 = 0,906 - 0,909 g/ml, M= 104,15. - Divinylbenzene (p-C6H4(HC=CH2)2) (DVB - Merck), d420 = 0,9162 g/ml, M=130,19 g/mol. - Benzoyl peroxit (BPO - Trung Quốc) 12 - FeCl2.4H2O, FeCl3.6H2O (Trung Quốc) - Dung dịch NH3, NaOH, Gelatin (Trung Quốc) - Metanol (Trung quốc) - Etanol (Việt Nam) - Nước cất - Dầu Diezel (Petrolimex), tỷ trọng ở 15oC: 0,87 - Xăng A92, A95 (Petrolimex), tỷ trọng ở 15oC: 0,76 - Dầu DO (Petrolimex), tỷ trọng ở 15oC: 0,92 - Toluen (Merk) Dụng cụ: Bể điều nhiệt, cân phân tích, tủ sấy, máy khuấy, nhiệt kế, bình cầu ba cổ, cốc thuỷ tinh, bình tam giác, pipet và các dụng cụ khác. Tổng hợp hạt ôxit sắt: Tiến hành pha dung dịch hỗn hợp muối FeCl3 và FeCl2 trong nước cất với các nồng độ CMFeCl3= 0,24M, và CMFeCl2= 0.12M, rồi rót vào bình phản ứng được đặt trong hệ điều nhiệt ở nhiệt độ 50oC. Dung dịch NaOH 0,05M rót vào phễu nhỏ giọt. Trước và trong quá trình phản ứng các dung dịch đều được sục khí N2 để ngăn ngừa sự oxi hoá của các ion Fe 2+, sử dụng máy khuấy với tốc độ cao với tốc độ nhỏ giọt 2-3 giây/giọt . Hỗn hợp phản ứng chuyển thành màu đen ngay sau khi nhỏ giọt, pH của phản ứng ổn định từ 10,4 -10,5, tiến hành phản ứng trong 120 phút. Phản ứng thủy phân: Fe2+ + 2Fe3+ + 8OH-  Fe3O4 + 4H2O - Sản phẩm đem lọc tách li tâm, rửa sạch các ion Cl - bằng nước cất vài lần (thử ion Cl- bằng kết tủa trong dung dịch AgNO 3), sau đó rửa kết tủa bằng cồn 960 khoảng 2-3 lần. Mẫu vật liệu oxit sắt thu được sấy khô ở nhiệt độ 70oC trong tủ sấy chân không. Biến tính bề mặt hạt oxit sắt - Hạt sắt oxit muốn đưa được vào trong polyme phải được biến tính bề mặt, nếu không chúng sẽ bị lắng và chìm trong dung dịch hỗn hợp phản ứng và tách ra ngoài. Có rất nhiều phương pháp để biến tính hệ hạt này, chúng tôi sử dụng phương pháp oleat hóa bề mặt. Phương pháp này có ưu điểm là dễ làm, axit oleic dễ kiếm và rẻ tiền, đồng thời trong oleic còn có một nối đôi, nó sẽ dễ dàng tạo liên kết và tăng khả năng tương hợp với các polyme hơn. Do năng lượng bề mặt cao nên các hạt sắt từ thường bị kết tụ. Điều kiện ứng dụng đòi hỏi không có sự kết tụ mà phải phân tán được. Muốn vậy lực 13 tương tác so chuyển động nhiệt, do tương tác đẩy phải mạnh hơn lực hút giữa các hạt. Những hạt nano Fe3O4 có kích thước rất nhỏ, thể hiện tính siêu thuận từ ở nhiệt độ thường (nhiệt độ Curie nhỏ hơn nhiệt độ thường), có nhiều ứng dụng rất quan trọng trong lĩnh vực y học. Điều kiện ứng dụng là các hạt phải có kích thước nhỏ hơn 50nm, có sự phân bố kích thước hẹp và bề mặt được bảo vệ bởi chất có khả năng tương hợp sinh học cao. Với lớp áo khoác bên ngoài ngăn cản sự kết tụ, đồng thời làm tăng khả năng tương hợp sinh học, vật liệu siêu thuận từ được sử dụng để làm chất dẫn thuốc, sử dụng trong lĩnh vực ghi hình ảnh cộng hưởng từ... Một số phương pháp ổn định, bảo vệ hạt ôxit sắt từ * Khi kích thước hạt nhỏ đến một giới hạn nhất định, hạt thể hiện tính siêu thuận từ, hạt siêu thuận từ có rất nhiều ứng dụng nên các nhà khoa học chủ yếu tập trung nghiên cứu phương pháp bảo vệ hạt nano siêu thuận từ. Sau đây là một số phương pháp bảo vệ hạt nano siêu thuận từ SPION (super paramagnetic iron oxide nanoparticles). Phương pháp 1: Sử dụng dung dịch natrioleat để có thể tạo ra được huyền phù bền, với nồng độ 2.10-4 thì vừa vặn tạo ra một lớp đơn hấp phụ trên bề mặt hạt sắt từ. Hệ gồm SPION và dung dịch natrioleat được phân tán trong bể siêu âm với cường độ mạnh trong 5’, t0 là 800C, sau đó được làm lạnh đến nhiệt độ phòng. Phương pháp 2: Năm 1968, sau khi tạo ra hạt oxit sắt từ Fe 3O4 băng phương pháp nghiền cơ học, Papell là người đầu tiên đã tạo được pha phân tán bền của hạt trong axit oleic/ dung môi hidrocacbon. Sau đó, phương pháp này được sử dụng một cách rộng rãi. Ngoài axit oleic, còn có thể sử dụng một số axit béo khác nhý axit stearic. Trên bề mặt hạt sắt từ có những nhóm -OH, do đó mà giữa hạt sắt từ và axit cacboxylic có sự hình thành liên kết hoá học. Phần đuôi không phân cực của axit béo phân tán trong một dung môi hữu cơ không phân cực như toluen hay n-hexan → Hình 1.9. Axit cacboxylic hấp phụ hoá học trên bề mặt hạt sắt từ 14 Phương pháp 3: Tinh bột (TB) được sử dụng ngay trong quá trình phản ứng, lớp polime bao phủ quanh hạt ngăn ngừa sự oxi hoá và tránh sự kết tụ bởi sức căng bề mặt. Lấy 100 mg TB hoà tan trong 20 ml nước cất ở 800C dưới tác dụng của máy khuấy từ, 5ml dung dịch chứa 0,1M Fe2+ và 0,2 M Fe3+ được rót vào dung dịch TB đã điều chế. Dùng máy khuấy cơ học tốc độ cỡ 2000 vòng/phút, khuấy mạnh trong 20 phút để đồng nhất hỗn hợp. Sau đó 25 ml hỗn hợp này được thêm nhỏ giọt vào 250 ml NaOH 0,1M dưới tác dụng của một máy khuấy cơ học mạnh ở 600C trong 2h. Sau khi H20 bay hơi 50 % về khối lượng, dung dịch còn lại được làm lạnh đến nhiệt độ phòng và để yên trong 12 h gel. Phương pháp biến tính hạt oxit sắt bằng axit oleic: - Để ngăn ngừa hiện tượng kết tụ ta sử dụng chất hoạt động bề mặt là amôni oleat để tạo ra lưu thể bền của hạt sắt từ. Tiến hành: điều chế dung dịch amoni oleat bằng cách cho axit oleic phản ứng với dung dịch NH3, cho từ từ 25ml dung dịch NH3 đậm đặc vào 100ml axit oleic, khuấy đều hỗn hợp cho đến khi tan vào nhau hoàn toàn, lấy dung dịch thu được để tiến hành hoạt hóa bề mặt hạt oxit sắt. Đưa hạt sắt từ vào hệ thu được ở trên, khuấy mạnh trong 4h ở 50 0C. Lưu thể được tạo thành rất bền, để 30 ngày không lắng. Thành phần của hệ: Hạt oxit sắt : 2% Amôni oleat : 0,6% Nước cất : 97,4% - Khi cần sử dụng hạt nano Fe3O4, cho hệ vào máy ly tâm tốc độ cao, lọc tách hạt, sấy khô và đưa vào sử dụng. - Có thể thay thế hệ amoni oleat bằng cách sử dụng trực tiếp axit oleic, sử dụng bể siêu âm để trộn đều hạt. Đồng trùng hợp Styren và Divinylbenzen có hạt oxit sắt: Lắp bình ba cổ 250 ml, ăn khớp với thiết bị khuấy, thiết bị đo nhiệt (bể điều nhiệt), thiết bị hồi lưu, đường dẫn khí nitơ, được tạo lấp đầy bằng nitơ. Cho 5g chất bảo vệ huyền phù gelatin, sau đó cho 100 ml dung dịch phản ứng gồm Styren và Divinylbenzen có phân tán hạt ôxit sắt đã được oleat hóa bề mặt trong monome bằng thiết bị siêu âm. Gia nhiệt đến 90 0C trong bể điều nhiệt trong khi duy trì vận tốc khuấy không đổi và cho dòng Nitơ nhẹ nhàng đi vào bình phản ứng. Chất khơi mào Peroxit benzoyl được thêm vào với lượng khoảng 1% so với monome, tại thời điểm này là thời điểm bắt đầu của phản ứng. Sau 240 phút 15 dừng phản ứng kể từ khi cho thêm chất khởi đầu và làm lạnh hỗn hợp xuống nhiệt độ phòng. Sản phẩm thu được rửa và khuấy trong metanol để loại bỏ các monome dư, sau đó được lọc và làm khô trong chân không ở 70 oC tới khối lượng không đổi. Phản ứng trùng hợp: Thử nghiệm khả năng hấp thu và thu hồi dầu của vật liệu Khả năng hấp thụ dầu (mức độ hấp thụ dầu) là thụng số quan trọng nhất đối với việc chế tạo polyme hấp thụ dầu. Để xác định được mức độ hấp thụ dầu lấy mẫu sau khi phản ứng kết, tất cả cỏc mẫu thử khả năng hấp thụ dầu đều được sấy khụ trong chân không trong 2 ngày. Hệ số hấp thụ dầu (W) được xác định bằng phương pháp trọng lượng. Cân một lượng xác định (khoảng 2 g) chất hấp thụ đó được sấy khi cho vào túi chè và ngâm vào trong dầu ở nhiệt độ phòng. Làm túi đối chứng tương tự nhưng không cho vật liệu hấp thụ dầu để xác định được sự tăng khối lượng của túi có chất hấp thụ dầu. Sau một khoảng thời gian nhất định lấy túi mẫu ra khỏi dầu và để ráo hết dầu trong 1 phút cân chính xác khối lượng túi mẫu. Tiến hành cân cho đến khi khối lượng túi chứa vật liệu hấp thụ dầu không tăng lên nữa thì dừng lại. Để xác định khả năng hấp thụ dầu (lượng dầu hấp thụ đó bão hòa) thông thường cho hấp thụ khoảng trên 4 giờ, có thể ngâm tới 24 giờ tuy nhiên chú ý khả năng bay hơi của dầu kết quả sẽ không còn chính xác. Xác định trọng lượng mẫu thu được. Hệ số hấp thụ dầu được tính theo công thức: W m2  m1 x100% m1 Trong đó: m2 và m1 là khối lượng chất trước và sau khi hấp thụ dầu. Các mẫu vật liệu được chúng tôi chế tạo đều được đem xác định mức độ hấp thụ dầu. 16 Thử nghiệm khả năng hấp thụ dầu của vật liệu với các loài dầu khác nhau, chúng tôi thu được bảng số liệu sau: Khả năng hấp thu các loại dầu khác nhau của vật liệu Dầu hấp thu (g/g) Toluen Xăng A92 Diezen DO St-DvB + 4% Fe3O4 10.1 9.4 6.7 5.8 Vật liệu sau khi hấp thu dầu đến cân bằng được chúng tôi sử dụng hơi nước quá nhiệt để tách loại dầu. Tiếp tục cân, nghiên cứu khả năng hấp thu dầu và so sánh với mẫu ban đầu, kết quả thu được trên bảng dưới đây: Khả năng hấp thu dầu lại của vật liệu nanocomposite giữa St-DvB với hạt nano Fe3O4. Tỷ lệ hạt Fe3O4 (%) Khả năng hấp thu dầu DO Khả năng hấp thu xăng A92 Lần 1 Lần 2 Lần 3 Lần 1 Lần 2 Lần 3 trong vật liệu 4,00 5,8 5,5 4,8 9,6 8,5 7,6 Vật liệu hấp thụ dầu được chúng tôi nghiên cứu đã được thử nghiệm khả năng hấp thụ dầu và khả năng thu gom sau khi hấp thụ dầu trong phòng thí nghiệm. Với vật liệu là Poly Styren-Divinyl Benzen - có phân tán 4% hạt nano Fe 3O4, dầu được đem xử lý là dầu DO, sử dụng nam châm vĩnh cửu để thu gom dầu trong nước muối loãng 3% (gần giống với hàm lượng muối trong nước biển). Kết quả thu được thể hiện trên các ảnh chụp. Vật liệu hấp thu dầu Dầu DO khi cho vật liệu hấp thu xử lý dầu Sau khi cho vật liệu hấp thụ dầu 15 phút 17 Dùng thanh nam Vật liệu sau khi bám Cốc nước – dầu sau châm để gom vật liệu trên thanh nam châm khi xử lý hấp thụ dầu Các nội dung sẽ nghiên cứu trong thời gian tới: - Tiếp tục hoàn thiện quy trình chế tạo hạt ôxit sắt, sử dụng them các phương pháp vi nhũ và phương pháp thủy phân cưỡng chế để tạo hạt ôxit sắt trong phòng thí nghiệm. So sánh các phương pháp này với nhau để tìm phương pháp dễ dàng nhất và hiệu quả nhất để tổng hợp hạt ôxit sắt. - Nghiên cứu biến tính ôxit sắt bằng các tác nhân khác như tinh bột, để có kết quả so sánh với nhau tìm phương pháp biến tính tối ưu. - Nghiên cứu chế tạo các hệ polyme khác tương tự để xem xét khả năng hấp thu dầu của vật liệu chẳng hạn hệ polyme của styrene với axit oleic. Từ các nghiên cứu đó sẽ tìm ra hệ polyme hấp thu dầu tốt nhất 18 Phần IV: Kết luận Vật liệu hấp thu dầu được tổng hợp bằng phương pháp đồng trùng hợp huyền phù trong nước giữa Styren và Divinylbenzen với hạt ôxit sắt đã được oleat hóa bề mặt, chất bảo vệ huyền phù là gelatin. Vật liệu có khả năng hút dầu tốt (1g vật liệu có thể hút được 5 - 6g dầu nặng DO), tốc độ hút dầu lớn, giá thành rẻ, không độc hại, thân thiện với môi trường, có thể thu hồi sau khi sử dụng, có thể tái sử dụng được. - Có thể thu gom vật liệu sau khi hấp thu dầu bằng nam châm, do có từ tính nên xu hướng của vật liệu sau khi hấp thu dầu thường kết đám lại với nhau tạo những mảng lớn. Có thể thay các hạt oxit sắt bằng các hạt mang từ tính khác tuy nhiên giá thành thường sẽ lớn hơn so với sắt oxit. - Vật liệu có thể thu gom xử lý những vệt dầu loang, những vết dầu sau khi xử lý sự cố tràn dầu bằng các phương pháp tổng hợp khác. Với lợi thế thu gom dầu một cách triệt để nhất để tránh những ô nhiễm xảy ra sau khi thu gom phần lớn lượng dầu tràn. - Các nghiên cứu trên mới chỉ là bước đầu, trong thời gian tới chúng tôi sẽ tiếp tục nghiên cứu them để có những kết quả tốt hơn nữa. 19 Tài liệu tham khảo 1. Nguyễn Tiến Dũng, Lê Hải Đăng, Trương Thị Hoà, Nguyễn Văn Khôi, Nguyễn Hữu Trịnh (2006), “Tổng hợp hạt nano sắt từ, nghiên cứu tính chất và ứng dụng”. Kỷ yếu hội thảo: Nâng cao chất lượng nghiên cứu khoa học và đào tạo giáo viên Hoá học trong giai đoạn mới, Tạp chí khoa học Đại học Sư Phạm Hà Nội, tr 114 – 119. 2. Nguyễn Hạnh (2005), “Tổng hợp vật liệu nano bằng phương pháp sol-gel, đặc trưng và khả năng ứng dụng”, Kỷ yếu hội thảo Vật liệu nano và một số ứng dụng trong Quốc phòng, Tr 52-67. 3. Nguyễn Đức Nghĩa (2007), Hoá học nano công nghệ vật liệu nền và vật liệu nguồn, NXB Khoa học tự nhiên và Công nghệ Hà Nội. 4. Đinh Thị Ngọ (2004), Hoá học dầu mỏ và khí. NXB Khoa học và Kỹ thuật. 5. Thái Doãn Tĩnh (2005), Hoá học các hợp chất cao phân tử, NXB Khoa học và Kỹ thuật. 20
- Xem thêm -