TỔNG QUAN
Giới thiệu về tro trấu
1.1.1 Sơ lược về tro trấu
Trấu, lớp vỏ ngoài cùng của hạt lúa, được tách ra trong quá trình xay xát và có thành phần hóa học biến đổi theo loại thóc, mùa vụ và thổ nhưỡng Vỏ trấu chứa trên 75% chất hữu cơ dễ bay hơi, cháy trong quá trình đốt, với khoảng 25% còn lại chuyển thành tro Kích thước trung bình của vỏ trấu là 8-10mm dài, 2-3mm rộng và dày 0.2mm, chủ yếu gồm cellulose, lignin và hemi-cellulose (90%), trong đó lignin chiếm 25-30% và cellulose chiếm 35-40% Mặc dù các chất hữu cơ trong trấu không thể được sử dụng trực tiếp bởi hầu hết sinh vật, nhưng chúng rất dễ cháy và có thể dùng làm chất đốt Tro trấu sau khi đốt chứa trên 80% SiO2, được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực Ở các nước sản xuất gạo như Nhật Bản, Trung Quốc, Thái Lan, vỏ trấu được tận dụng tối đa để tạo ra các sản phẩm có giá trị khác nhau.
Hình 1.1 Hình ảnh tro trấu
1.1.2 Tính chất của tro trấu
Tro trấu, sau khi được hun, chứa các chất quan trọng như carbonhydrat và kali, giúp cải thiện chất lượng đất trồng và giữ ẩm hiệu quả Do khả năng phân hủy chậm, tro trấu còn có tác dụng làm tơi xốp đất Ngoài ra, thành phần của tro trấu bao gồm xenlulo (26 - 35%), hemi-xenlulo (18 - 22%), lignin (25 - 30%) và SiO2 (20%).
Các thành phần oxit trong tro được trình bày trong bảng 1.1 và có sự biến đổi tùy thuộc vào giống lúa cũng như điều kiện khí hậu và đất đai của từng khu vực.
Hàm lượng SiO2 trong tro trấu rất cao, và oxit silic này đóng vai trò quan trọng trong sản xuất Việc tận dụng nguồn SiO2 từ tro trấu sẽ giúp Việt Nam giảm thiểu sự phụ thuộc vào việc nhập khẩu SiO2, đồng thời cải thiện vấn đề ô nhiễm môi trường do vỏ trấu.
Bảng 1.1 Các thành phần oxit trong trấu
Thành phần oxit Tỷ lệ theo khối lượng (%)
1.1.3 Ưu và nhược điểm của tro trấu
1.1.3.1 Ưu điểm của tro trấu
Tro trấu có nhiều ưu điểm tốt cho cây trồng:
Giá thể sạch, tơi xốp.
Vô trùng, không mầm bệnh, vi khuẩn.
Hút và giữ nước, giữ phân tốt
Thoáng khí tạo điều kiện cho cây sinh trưởng.
Chi phí sản xuất thấp.
1.1.3.2 Nhược điểm của tro trấu
Kém dinh dưỡng nên không thể thay thế toàn bộ đất trồng cây.
Hấp thụ nhiệt vì có hàm lượng carbon cao, không tốt cho rễ cây trồng.
Tro trấu nếu không được xử lý kỹ có thể chứa tạp chất gây hại cho cây trồng, ảnh hưởng đến sự phát triển và sức đề kháng của cây Nhiều người trồng cây đã chia sẻ kinh nghiệm rằng việc xử lý tro trấu đúng cách là rất quan trọng, nếu không cây sẽ không phát triển tốt và có nguy cơ bị lụi dần.
1.1.4 Ứng dụng của tro trấu
1.1.4.1 Ứng dụng của tro trấu trong nông nghiệp a) Cung cấp dinh dưỡng cho cây
Tro chứa nito dạng hợp chất, trong tro chứa 30 nguyên tố như: K, Ca, Mg, Fe,
P, S, B, Tro trấu có tác dụng làm tơi xốp đất, kích thích cho những sinh trùng có lợi trông trồng trọt: giun nhờ đó, đất sẽ tơi xốp hơn và cung cấp chất dinh dưỡng cho cây.
Hình 1.2 Bón tro cho cây trồng b) Tăng cường trao đổi chất cho cây
Tro trấu kết hợp với xơ dừa tạo ra một chất hữu cơ lý tưởng cho cây trồng Sự kết hợp này không chỉ làm cho đất trở nên tơi xốp mà còn cải thiện quá trình trao đổi chất, giúp cây phát triển mạnh mẽ hơn.
Hình 1.3 Tro trấu kết hợp xơ dừa Bảng 1.2 Bảng tính chất hóa học của một số loại phân hữu cơ (%)
Số mẫu DM C N C:N P Ca Mg K
Phế phụ phẩm cây trồng
Khi làm đất, việc trộn 100g tro trấu (1 cốc) trên 1m² có thể thay thế 1 thìa kali sunfat, đồng thời cung cấp thêm Bo cho cây trồng, một nguyên tố thường bị bỏ quên Mặc dù nhiều người khuyên nên bón tro trấu khi xới đất, nhưng nếu sử dụng quá nhiều, tro có thể gây hại cho vi sinh vật trong đất, đặc biệt là giun tự nhiên, do tạo ra môi trường kiềm.
Có thể bón tro trấu ở dạng nước, hòa tan 1 cốc tro vào 1 xô nước, tưới cho diện tích 1 – 2m 2 , dùng như phân bón thúc.
Bón tro trâu cho cây thường xuyên không chỉ nâng cao khả năng kháng bệnh và thích ứng với biến đổi khí hậu, mà còn làm cho lá cây trở nên cứng cáp hơn Nhờ đó, việc sâu bệnh như rệp và các loại sâu ăn lá sẽ gặp khó khăn hơn khi tấn công cây trồng.
Tro trấu không trực tiếp tiêu diệt sâu bệnh, nhưng tạo ra môi trường khó chịu cho chúng, khiến lá cây trở nên sần sùi và cứng cáp hơn Để phòng trừ sâu hại, có thể sử dụng nước chiết từ tro trấu với tỷ lệ 100g trên 10 lít nước để diệt một số loại sâu Ngoài ra, tro trấu còn giúp hạt nảy mầm đều hơn và làm cho cây con trở nên cứng cáp hơn.
Nhiều nhà vườn thường ngâm hạt giống trong nước tro trước khi gieo để cải thiện tỷ lệ nảy mầm Để thực hiện, bạn có thể pha 2 thìa tro vào 1 lít nước, sau đó để hỗn hợp này trong 2 ngày Nước chiết ra từ quá trình ngâm có thể được sử dụng để bón thúc cho hoa quả, rau và củ, quả, giúp cây phát triển khỏe mạnh.
1.1.4.2 Ứng dụng của tro trấu trong công nghiệp a) Xử lý các chất ô nhiễm nguồn nước và nước thải Ở Việt Nam hiện nay tro trấu là nguồn phế phẩm nông nghiệp dồi dào, người dân thường tận dụng vỏ trấu để làm chất đốt vì nó là nguồn nguyên liệu rất rẻ tiền và phổ biến Sau khi đốt, tro trấu chứa silic đioxit và cacbon hoạt tính ở dạng vô định hình, cấu trúc lỗ xốp có hoạt tính cao nên chúng có khả năng hấp phụ tốt Việc sử dụng vỏ trấu làm vật liệu hấp phụ các chất ô nhiễm trong môi trường nước có thể giải quyết được lượng phế thải hàng năm của nước ta Đặc biệt, tro trấu được phủ sắt hydroxit là vật liệu hấp phụ asen trong môi trường nước rất tốt [4].
Hình 1.4 Ảnh mô hình lọc nước bằng than tro trấu b) Là phụ gia siêu dẻo tới tính chất của hồ, vữa và bê tông
Tro trấu với cấu trúc xốp và tỷ diện tích bề mặt lớn giúp tăng độ dẻo tiêu chuẩn của hồ xi măng khi được sử dụng làm phụ gia khoáng hoạt tính Sự gia tăng lượng phụ gia tro trấu vào hồ xi măng sẽ làm tăng độ dẻo, đặc biệt khi hàm lượng tro vượt quá 40%.
Tro trấu giúp rút ngắn thời gian bắt đầu đông kết và kéo dài thời gian đông kết của hồ xi măng Đặc biệt, với hàm lượng tro lên đến 60%, xi măng vẫn đáp ứng các tiêu chuẩn về thời gian đông kết theo quy định của Việt Nam TCVN 6017: 1995.
Đối với vữa xi măng
Tro trấu giúp tăng lượng nước cần thiết để vữa xi măng đạt tính công tác tương đương với vữa đối chứng Khi hàm lượng tro trấu trong chất kết dính tăng, lượng phụ gia siêu dẻo cũng cần tăng theo để duy trì tỷ lệ N/CKD Tuy nhiên, chỉ nên sử dụng tro trấu với hàm lượng dưới 30%, vì vượt quá giới hạn này sẽ làm tăng đột biến lượng nước tiêu chuẩn của vữa xi măng tro trấu.
Tổng quan về Fe(OH) 3
Là một hidroxit tạo bởi Fe 3+ và nhóm OH, tồn tại ở trạng thái rắn, có màu nâu đỏ Công thức phân tử: Fe(OH)3.
1.2.2 Tính chất của Fe(OH) 3 a) Tính chất vật lý
Là một chất rắn, màu nâu đỏ, không tan trong nước b) Tính chất hóa học
Mang đầy đủ tính chất của một bazơ không tan.
Fe(OH)3 + 3HCl → FeCl3 + 3H2O Fe(OH)3 + 3HNO3 → Fe(NO3)3 + 3H2O
1.2.3 Ứng dụng của Fe(OH) 3
Muối FeCl3 được dùng làm chất xúc tác trong một số phản ứng hữu cơ.
Fe2(SO4)3 có trong phèn sắt.
Amoni (NH4)2SO4.Fe2(SO4)3.24H2O Fe2O3 được dùng để pha chế sơn chống gỉ.
Cho dung dịch bazơ vào dung dịch muối sắt (III).
FeCl3 + 3NaOH → Fe(OH)3 ↓ +3NaCl
2FeCl3 + 3Ba(OH)2 → 2Fe(OH)3 ↓ +3BaCl2
Phương pháp để tổng hợp vật liệu nano
1.3.1 Phương pháp từ trên xuống (top - down)
Nguyên lý của kỹ thuật này là sử dụng nghiền và biến dạng để chuyển đổi vật liệu thể khối có tổ chức hạt thô thành kích thước nano Đây là các phương pháp đơn giản, tiết kiệm chi phí nhưng mang lại hiệu quả cao, có thể áp dụng cho nhiều loại vật liệu có kích thước lớn, đặc biệt trong việc sản xuất vật liệu kết cấu.
Phương pháp nghiền là quá trình kết hợp vật liệu dạng bột với các viên bị cứng trong một cái cối, sử dụng các loại máy nghiền như nghiền lắc, nghiền rung hoặc nghiền quay Các viên bị cứng va chạm và làm vỡ bột thành kích thước nano, tạo ra vật liệu nano không chiều, cụ thể là các hạt nano.
Phương pháp biến dạng sử dụng kỹ thuật đặc biệt để tạo ra biến dạng cực lớn mà không làm hỏng vật liệu, với nhiệt độ điều chỉnh theo từng trường hợp Khi nhiệt độ gia công vượt quá nhiệt độ kết tinh lại, quá trình này được gọi là biến dạng nóng, dẫn đến việc tạo ra các vật liệu nano một chiều (dây nano) hoặc hai chiều (lớp mỏng có độ dày nanomet).
Hình 1.7 Phương pháp từ trên xuống 1.3.2 Phương pháp từ dưới lên (bottom - up)
Nguyên lý hình thành vật liệu nano từ các nguyên tử hoặc ion đã dẫn đến sự phát triển mạnh mẽ của phương pháp từ dưới lên, nhờ vào tính linh động và chất lượng sản phẩm cuối cùng Hiện nay, hầu hết các vật liệu nano được sử dụng đều được chế tạo bằng phương pháp này, bao gồm cả phương pháp vật lý, hóa học hoặc sự kết hợp của cả hai.
Phương pháp vật lý là kỹ thuật tạo ra vật liệu nano từ nguyên tử hoặc thông qua quá trình chuyển pha Nguyên tử hình thành vật liệu nano được sản xuất bằng các phương pháp như bốc bay nhiệt, phún xạ và phóng điện hồ quang Trong quá trình chuyển pha, vật liệu được nung nóng và làm nguội nhanh chóng để đạt được trạng thái vô định hình, sau đó xử lý nhiệt để chuyển từ vô định hình sang tinh thể Phương pháp này thường được áp dụng để sản xuất các hạt nano và màng nano, chẳng hạn như trong ổ cứng máy tính.
Phương pháp hóa học là kỹ thuật tạo ra vật liệu nano từ các ion, với tính đa dạng cao do yêu cầu thay đổi kỹ thuật chế tạo tùy thuộc vào loại vật liệu cụ thể Các phương pháp hóa học có thể được phân chia thành hai loại chính: hình thành vật liệu nano từ pha lỏng (như phương pháp kết tủa, sol-gel) và từ pha khí (như nhiệt phân) Phương pháp này cho phép sản xuất nhiều dạng vật liệu nano khác nhau, bao gồm hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano và bột nano.
Phương pháp kết hợp là kỹ thuật sản xuất vật liệu nano dựa trên các nguyên tắc vật lý và hóa học như điện phân và ngưng tụ từ pha khí Phương pháp này cho phép tạo ra nhiều dạng vật liệu nano khác nhau, bao gồm hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano và bột nano.
Một số ứng dụng của vật liệu nano
Vật liệu nano đang được ứng dụng rộng rãi trong y tế, đặc biệt là trong điều trị ung thư Nghiên cứu cho thấy các hạt nano vàng có khả năng hiệu quả trong việc tiêu diệt nhiều loại khối u Những hạt nano này được đưa vào cơ thể và sau đó được kích thích tăng nhiệt độ bằng tia laser hồng ngoại từ bên ngoài, giúp tiêu diệt các khối u một cách hiệu quả.
Các bộ vi xử lý làm từ vật liệu nano đang ngày càng phổ biến, và nhiều sản phẩm như chuột và bàn phím cũng được trang bị lớp nano kháng khuẩn Trong tương lai, pin nano sẽ được thiết kế với cấu trúc ống nanowhiskers, giúp tăng diện tích bề mặt của các cực pin, từ đó nâng cao khả năng lưu trữ điện năng đáng kể.
Sử dụng năng lượng gió và năng lượng mặt trời kết hợp với công nghệ nano, bạn có thể sạc điện cho smartphone mọi lúc, mọi nơi.
Hiện nay, công nghệ nano đã được ứng dụng rộng rãi tại Việt Nam trong sản xuất phân bón lá và thuốc trừ nấm bệnh cho cây trồng Trong lĩnh vực xây dựng, vật liệu nano mang lại những sản phẩm siêu nhẹ với đặc tính vượt trội, không chỉ nâng cao chất lượng mà còn thân thiện với môi trường.
Silica
1.5.1 Khái niệm Điôxít silic là một hợp chất hóa học còn có tên gọi khác là silica (từ tiếng Latin silex), là một ôxít của silic có công thức hóa học là SiO2 và nó có độ cứng cao được biết đến từ thời cổ đại Phân tử SiO2 không tồn tại ở dạng đơn lẻ mà liên kết lại với nhau thành phân tử rất lớn
Silica tồn tại dưới hai dạng chính: dạng tinh thể và vô định hình Trong tự nhiên, silica chủ yếu xuất hiện dưới dạng tinh thể hoặc vi tinh thể như thạch anh, triđimit, cristobalit, cancedoan và đá mã não Hầu hết silica tổng hợp được sản xuất dưới dạng bột hoặc keo với cấu trúc vô định hình, gọi là silica colloidal Một số dạng silica tinh thể như coesit và stishovit có thể được hình thành dưới điều kiện áp suất và nhiệt độ cao.
Silica là một khoáng chất phổ biến trong tự nhiên, thường xuất hiện dưới dạng cát hoặc thạch anh, và cũng là thành phần cấu tạo của tế bào tảo cát Nó đóng vai trò quan trọng trong việc sản xuất một số loại thủy tinh và là chất chính trong bê tông.
Silica tự nhiên có mặt trong thực vật như lúa mạch, vỏ trấu và tre, cũng như trong các khoáng vật như thạch anh và đá lửa Tuy nhiên, hạt silica tách ra từ các nguồn tự nhiên thường chứa tạp chất kim loại không phù hợp cho ngành công nghệ cao Do đó, việc tổng hợp silica tinh khiết dưới dạng bột vô định hình, như silica gel và keo silica, đang được chú trọng để sản xuất, nhằm đáp ứng nhu cầu công nghiệp.
1.5.2 Các dạng thù hình của silica
Dưới áp suất thường, silica tinh thể tồn tại dưới ba dạng thù hình chính: thạch anh, triđimit và cristobalit Mỗi dạng thù hình này có hai hoặc ba dạng thứ cấp, bao gồm dạng thứ cấp a bền ở nhiệt độ thấp và dạng thứ cấp ở nhiệt độ cao.
Silica có ba dạng tinh thể khác nhau, với cách sắp xếp các nhóm tứ diện SiO4 khác nhau Trong thạch anh, góc liên kết Si-O-Si là 150°, trong khi ở dạng tridimit và cristobalit, góc này đạt 180°.
Trong thạch anh, các nhóm tứ diện SiO4 4- được sắp xếp theo hình xoắn ốc, với các nguyên tử Si quay theo hai hướng khác nhau, tạo thành -thạch anh và -thạch anh Để chuyển đổi từ thạch anh sang cristobalit, cần điều chỉnh góc Si-O-Si từ 150° lên 180°.
Trong khi đó để chuyển thành - tridimit thì ngoài việc chuyển góc này còn phải xoay tứ diện SiO4 4- quanh trục đối xứng một góc bằng 180°.
Nano silica
Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ nano đã thúc đẩy sản xuất nano silica (SiO2), được ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu khoa học và phát triển kỹ thuật Vật liệu nano thường có kích thước hạt từ 1-100 mm.
Nano silica, hay còn gọi là "silica siêu mịn", được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp như chất phụ gia, chất xúc tác hỗ trợ, hóa dầu, chất tẩy trắng, cao su tăng cường, phụ nhựa, mực in, chất làm đặc, kim loại mềm, chất đánh bóng, chất độn cách nhiệt, mỹ phẩm cao cấp, phun vật liệu, y học và bảo vệ môi trường.
1.6.2 Ứng dụng của hạt nano silica
Hạt nanosilica (SiNP) đang trở thành một trong những ứng dụng nổi bật trong lĩnh vực y sinh, đặc biệt là khi chúng được hoạt hóa bề mặt để nhận biết và tái tạo hình ảnh của tế bào trong các khu vực nghiên cứu Việc ghi nhận hình ảnh từ các hạt silica này có thể hỗ trợ quá trình nghiên cứu tổng hợp protein của tế bào và hiểu rõ hơn về cơ chế hình thành bệnh trong cơ thể sinh vật, bao gồm cả con người.
Cảm biến sinh học là một ứng dụng quan trọng của hạt silica, với các hạt silica kích thước nanomet mang lại độ nhạy cao và tính chọn lọc tốt Những cảm biến này có kích thước nhỏ, tốc độ phản hồi nhanh và chi phí thấp Nhiều nghiên cứu hiện nay đang tập trung vào các tế bào tương thích với hạt silica để mở rộng ứng dụng của chúng.
Hạt silica, với diện tích bề mặt lớn, nhiều lỗ xốp và khả năng liên kết, trao đổi ion, có thể được sử dụng làm chất mang thuốc Chúng có khả năng hấp phụ dung dịch thuốc và vận chuyển trực tiếp đến tế bào.
Hạt silica mang thuốc thông qua cơ chế liên kết với các phân tử trong dung dịch thuốc Phương pháp phổ biến nhất là hạt silica được khuếch tán vào dung dịch, nơi thuốc sẽ liên kết trực tiếp với hạt Một phương pháp khác là đưa dung dịch thuốc vào quá trình tổng hợp hạt silica, nhưng phương pháp này ít được sử dụng do có thể ảnh hưởng đến môi trường tổng hợp và làm giảm tính bền của silica Ba cơ chế chính cho sự liên kết giữa thuốc và hạt silica bao gồm liên kết cộng hóa trị, liên kết nhờ các tác nhân vật lý và hiệu ứng không gian.
Silica được coi là một thành phần vi lượng quan trọng trong việc tăng cường khả năng tái tạo xương nhờ vào hoạt tính sinh học của hạt nanosilica Quá trình tái tạo xương diễn ra thông qua nhiều giai đoạn khác nhau, trong đó nanosilica đóng vai trò hỗ trợ hiệu quả.
Trong môi trường bão hòa, ion Ca 2+ và PO4 3- hình thành từ quá trình chuyển hóa protein trong tế bào xương, và có xu hướng di chuyển đến khu vực chứa hạt silica Tại đây, silica được coi là tâm kết tinh của hydroxyl apatite ở dạng vô định hình.
Tiếp theo, hydroxyl apaptite vô định hình tiếp tục phát triển xung quanh hạt silica / silicic acid để phát triển thành tinh thể [9]
Ứng dụng này sử dụng hạt silica – HCA kết hợp với các gốc thuốc như transforming growth factor beta (TGF-β) và bone morphogenetic protein (BMP) để đưa vào cơ thể Ngoài ra, hạt silica còn có nhiều ứng dụng khác trong lĩnh vực điện tử, cảm biến và pin năng lượng.
Ngoài ra, silica còn có thể làm chất nền cho những composite ứng dụng trong lĩnh vực y sinh như biotin-avidin, antigen-anibodies, peptides, protein và DNA [1]
Bề mặt hạt silica có khả năng tạo liên kết với nhiều nhóm chức khác nhau, cho phép hạt này hấp phụ và trao đổi ion hiệu quả Tính chất này được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như sơn phủ, mực in, và nhờ khả năng liên kết với nước, hạt silica còn được sử dụng để chống ăn mòn và hút ẩm.
Các phương pháp tổng hợp nano silica
Sự thủy phân của các phần tử TOES dẫn đến hình thành các nhóm silanol Si(OC2H5)3OH, trong khi sự polyme hóa giữa các nhóm silanol hoặc giữa silanol và ethoxy tạo ra các cầu nối siloxane (Si-O-Si), hình thành cấu trúc silica Quá trình hình thành hạt silica có thể được chia thành hai giai đoạn: tạo hạt và phát triển hạt.
Phương pháp kết tủa sử dụng nhiệt để phân hủy vỏ trấu, sau đó cho NaOH để tạo dung dịch Na2SiO3
SiO2(ash) + NaOH → Na2SiO3 + H2O
Làm khô và đem nung
Hình 1.12 Quá trình tổng hợp bột silica từ TEOS
Phản ứng giữa Na2SiO3 và HCl để tạo nên các tinh thể SiO2
Na2SiO3 + HCl → SiO2 + NaCl + H2O Cuối cùng SiO2 tạo thành có dạng vô định hình và ở kích thước nano [2].
1.7.3 Phương pháp lắng đọng hơi hóa học
Nano silica có thể được sản xuất thông qua phương pháp ngưng tụ hơi hóa học (CVC) Trong quy trình CVC, nano silica được tổng hợp từ phản ứng giữa silicon tetracloride (SiCl4) với H2 và O2 Tuy nhiên, việc kiểm soát kích thước hạt, hình thái học và thành phần pha là những thách thức lớn của phương pháp này.
Tuy nhiên, đây là phương pháp đã từng được sử dụng để sản xuất bột nano silica thương mại Phương trình phản ứng xảy ra như sau:
H2 +O2 2H2O SiCl4 + 2H2O SiO2 + 4HCI SiCl4 + 2H2 + O2 SiO2 + 4HCI
Hình 1.13 Nguyên lí tạo silica bằng phương pháp CVC
Phương pháp kết tủa là phương pháp đơn giản và dễ thực hiện nhất trong ba phương pháp đã nêu Hóa chất sử dụng trong phương pháp này là những hóa chất quen thuộc, có giá cả phải chăng, giúp tiết kiệm chi phí cho người thực hiện Thao tác thí nghiệm không quá phức tạp và không yêu cầu chuyên môn cao, do đó kết quả thu được thường khả quan.
NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Nội dung nghiên cứu
2.1.1 Phương pháp tổng hợp vật liệu tro trấu phủ sắt (III) hidroxit
* Quy trình tổng hợp vật liệu RHA/Fe(OH) 3
Tro trấu được xử lý bằng cách ngâm trong dung dịch HCl 1M trong 24 giờ, sau đó rửa sạch bằng nước mềm và phơi khô Tiếp theo, tro trấu được sấy khô và rây nhỏ với kích thước lỗ 0,088 mm để thu được tro trấu (RHA) Cuối cùng, RHA được nung ở nhiệt độ 700 độ C trong 2 giờ để làm nguội.
Cân 2g chất vào cốc 100ml, sau đó thêm dung dịch NaOH 3M theo tỷ lệ 2,2 mol Khuấy đều hỗn hợp trong 120 phút ở nhiệt độ 100°C bằng máy khuấy từ gia nhiệt Sau khi để nguội, lọc dung dịch đã khuấy qua bộ lọc có màu vàng nhạt, sau đó nhỏ từ từ axit HCl 4M cho đến khi xuất hiện kết tủa trắng và đạt pH mong muốn.
3 Kết tủa đem lọc chân không và rửa bằng nước cất và dung dịch cồn Kết tủa sau khi lọc đem sấy khô ở 100 o C
Hình 2.14 Tro trấu (RHA) được cho vào NaOH khuấy từ
Hình 2.15 Dung dich sau khi lọc cho HCl vào ra kết tủa trắng
Hình 2.16 Kết tủa đem lọc chân không và rửa
Vật liệu RHA/Fe(OH)3 được tạo ra bằng cách cho kết tủa sau khi sấy vào dung dịch Fe 3+, sau đó sử dụng dung dịch NH3 0,1M để điều chỉnh pH của hỗn hợp về khoảng 5 - 6 Trong điều kiện này, Fe 3+ sẽ kết tủa hoàn toàn dưới dạng hydroxit, bao bọc quanh các hạt tro trấu Cuối cùng, kết tủa được lọc, rửa và sấy khô, thu được vật liệu tro trấu phủ sắt hydroxit (RHA/Fe(OH)3).
Hiệu suất chuyển hóa được tính theo công thức:
Abđ: Mật độ quang xanh metylen ban đầu (A).
An: Mật độ quang sau khi được xử lý (A).
2.1.2 Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng Fe(OH) 3 Để khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng Fe(OH)3 quy về Fe2O3, từ tro trấu sau khi nung ở 700 o C trong 120 phút và tro sau nung đem xử lý bằng dung dịch NaOH, các mẫu vật liệu RHA/Fe(OH)3 được tổng hợp sao cho hàm lượng Fe2O3 thay đổi từ 5 đến 25%, mẫu được ký hiệu tương ứng từ A1 đến A5 Các mẫu sau khi khuấy xong đem lọc, sấy khô ở 100 o C trong 2 giờ
Tiến hành xác định khả năng xử lý metylen xanh của vật liệu như mục 2.1.1.
2.1.3 Khảo sát thời gian khuấy Để khảo sát ảnh hưởng của thời gian phản ứng, tro trấu sau khi nung ở 700 o C trong 120 phút và đem xử lý với NaOH, các mẫu vật liệu RHA/Fe(OH)3 được tổng
Dung dịch NaOH 3M Tro trấu
Vật liệu RHA/Fe(OH) 3
Khuấy từ, điều chỉnh pH = 4 - 6 bằng NH 3 5%
Quy trình tổng hợp RHA/Fe(OH)3 được thực hiện để đảm bảo hàm lượng Fe2O3 đạt 15%, với thời gian phản ứng thay đổi từ 30 đến 90 phút, được ký hiệu từ B1 đến B5.
Tiến hành xác định khả năng xử lý metylen xanh của vật liệu như mục 2.1.1.
2.1.4 Khảo sát nhiệt độ sấy Để khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ sấy vật liệu sau khi phủ Fe(OH)3, từ tro trấu sau khi nung ở 700 o C trong 120 phút và đem xử lý với NaOH, các mẫu vật liệu RHA/Fe(OH)3 được tổng hợp sao cho hàm lượng Fe2O3 đều bằng 15% Mẫu sau khi phủ Fe(OH)3 được sấy ở các nhiệt độ khác nhau từ 80 o C đến 120 o C và được ký hiệu tương ứng theo nhiệt độ sấy lần lượt từ C1 đến C5.
Chúng tôi đã xác định khả năng xử lý metylen xanh của vật liệu theo mục 2.1.1 Qua khảo sát các yếu tố như nhiệt độ nung, thời gian nung, hàm lượng phủ và nhiệt độ sấy, chúng tôi đã chọn được điều kiện tối ưu để tổng hợp vật liệu tốt nhất Kết quả này sẽ được sử dụng để đo các đặc trưng của vật liệu.
2.1.5 Xác định các đặc trưng của vật liệu tro trấu phủ nhôm hidroxit
Thành phần pha của vật liệu
Hình thái và kích thước hạt của vật liệu.
Phương pháp nghiên cứu
2.2.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X Để xác định thành phần pha của mẫu, người ta thường sử dụng phương pháp ghi giản đồ nhiễu xạ tia X Nguyên tắc của phương pháp này là khi chiếu một chùm tia
Khi X-ray đơn sắc được áp dụng vào mẫu nghiên cứu dạng bột, hiện tượng khuếch tán tia X xảy ra, bao gồm hai loại: khuếch tán coherent (bước sóng tia tới và tia khuếch tán giống nhau) và khuếch tán incoherent (bước sóng khác nhau) Khuếch tán incoherent thường rất nhỏ và có thể bị bỏ qua Trong khuếch tán coherent, điện trường của tia tới làm cho electron dao động, tạo ra bức xạ thứ cấp cùng tần số với tia X Các tia khuếch tán phát ra từ các nguyên tử khác nhau có cùng tần số, cho phép chúng giao thoa với nhau Hiện tượng giao thoa của các tia sáng sau khi đi qua mạng tinh thể được gọi là nhiễu xạ tia X.
Hình 2.19 Sự nhiễu xạ khi chiếu chùm tia X vào mặt phẳng tinh thể
Khi chùm tia X có bước sóng λ được chiếu vào mặt tinh thể với góc θ thì sự nhiễu xạ tuân theo phương trình Bragg:
Phương trình 2.dhkl.sinθ = nλ là công thức cơ bản trong phân tích cấu trúc bằng tia X, trong đó dhkl là khoảng cách giữa hai nút mạng, θ là góc nhiễu xạ Bragg tại cực đại, λ là bước sóng Kα của anot đồng (Cu), với λ = 0,154056nm và n là bậc phản xạ Khi biết bước sóng λ và góc nhiễu xạ θ, ta có thể tính được hằng số mạng dhkl Việc so sánh giá trị dhkl thu được với mẫu chuẩn giúp xác định các loại khoáng vật có trong mẫu nghiên cứu Giản đồ XRD của mẫu được đo bằng thiết bị Brucker D8 Advance, sử dụng ống phát tia X với anod bằng Cu có bước sóng λ (Cu Kα) = 1,5406 Å, quét góc từ 20 đến 70 °, với mỗi bước quét 0,03 ° và thời gian 0,6 giây.
Điện tử trong kính hiển vi điện tử quét (SEM) được phát ra từ súng phóng điện tử và tăng tốc từ 10 kV đến 50 kV, tạo thành chùm điện tử hẹp nhờ hệ thống thấu kính từ Độ phân giải của SEM phụ thuộc vào kích thước chùm điện tử và tương tác giữa điện tử với bề mặt mẫu Khi điện tử tương tác với mẫu, các bức xạ như điện tử thứ cấp và điện tử tán xạ ngược được phát ra, cho phép tạo ảnh và thực hiện phân tích Điện tử thứ cấp, với năng lượng thấp, tạo ra ảnh hai chiều từ bề mặt mẫu, trong khi điện tử tán xạ ngược phản ánh thông tin từ chùm điện tử ban đầu.
Hình 2.20 Kính hiển vi điện tử quét SEM
THIẾT BỊ, DỤNG CỤ VÀ HÓA CHẤT
Máy khuấy từ, cân kỹ thuật, tủ sấy và lò nung là những thiết bị quan trọng trong phòng thí nghiệm Các dụng cụ như bình tam giác 250mL, pipet, bóp cao su, cốc thủy tinh, nhiệt kế, đũa thủy tinh, bình định mức và chai đựng mẫu cũng không thể thiếu để thực hiện các thí nghiệm một cách chính xác và hiệu quả.
Nhiễu xạ tia X đo tại trung tâm Việt Đức, Trường ĐH Công nghiệp thực phẩm – TP HCM)
Fe(NO3)3.9 H2O, NH3 5%, HCl đặc, NaOH, cồn 90 o C.