Và công nghệ nano ra đời để giải quyết vấn đề bức thiết này . Đối tượng nghiên cứu của công nghệ nano là vật liệu nano . Một số nước phát triển trên thế giới như Mỹ, Nhật và các nước châu Âu đã nhìn nhận công nghệ nano như một trong những lĩnh vực triển vọng nhất cuả thế kỷ 21 , được đầu tư nghiên cứu mạnh mẽ để giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường nói chung và ô nhiễm nguồn nước do hợp chất chứa Clo nói riêng. Các hợp chất Clo hữu cơ nằm trong các hợp chất được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp . Các hợp chất Clo hữu cơ có tác động mạnh tới môi trường vì chúng rất độc và khó phân hủy khi đốt cháy . Các chất này là thường là các hợp chất Clo hữu cơ mạch vòng , ổn định về cấu trúc hóa học nên tồn tại rất bền vững và có thể luân chuyển trong môi trường . Đặc biệt các chất này còn có thể tích lũy trong cơ thể người và động vật thông qua thức ăn . Thời gian phân hủy và chuyển hóa các hợp chất này thường kéo dài hàng chục năm và thường để lại những hậu quả và di chứng nặng nề cho con người và động vật. Hợp chất hữu cơ chứa Clo khi ở trong môi trường nước dẫn đến nguồn nước bị ô nhiễm chất hữu cơ làm cho nước có màu sắc và mùi vị khó chịu, có nhiều hợp chất độc hại và gây tác động xấu đến sức khoẻ con người. Vì vậy, tôi tiến 2 hành đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano Fe0 trên nền polyme và ứng dụng xử lí hợp chất hữu cơ chứa clo ” Mục tiêu nghiên cứu của đề tài - Xác định được phương pháp tổng hợp vật liệu nano Fe0 trên nền Chitosan - Nghiên cứu khả năng xử lí hợp chất hữu cơ chứa clo của vật liệu nano Fe0 trên nền Chitosan. - Xác định được điều kiện tối ưu xử lý hợp chất hữu cơ chứa Clo của vật liệu nano Fe0 trên nền Chitosan
TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
Khái niệm công nghệ nano
Công nghệ Nano, hay còn gọi là sản xuất phân tử, là một lĩnh vực khoa học kỹ thuật tập trung vào thiết kế và sản xuất các thiết bị điện tử siêu nhỏ ở cấp độ phân tử Theo Viện công nghệ Nano Anh quốc, Nano được định nghĩa là ngành khoa học và công nghệ nơi kích thước từ 0,1nm đến 100nm đóng vai trò chủ đạo Nanomét là đơn vị đo lường tương đương 1 phần tỷ mét Công nghệ Nano thường kết hợp với các hệ thống vi cơ điện MEMS, sử dụng công nghệ Nano và có thể bao gồm các công nghệ khác ở cấp độ cao hơn phân tử.
Chương trình Nano quốc gia của Mỹ NNI định nghĩa công nghệ Nano phải bao hàm:
– Nghiên cứu và phát triển công nghệ ở cấp độ phân tử hoặc vi phân, với kích thước khoảng 1 – 100 nm
– Tạo ra và sử dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống có các đặc tính và chức năng mới do kích thước cực nhỏ
– Có khả năng kiểm soát và thao tác ở cấp độ nguyên tử.
Tiềm năng của công nghệ Nano
Công nghệ nano, khác với các công nghệ khác, là sự kết hợp của nhiều bộ môn khoa học và được xác định bởi quy mô hoạt động ở kích thước siêu nhỏ Khoa học nano nghiên cứu vật chất ở kích thước nano, với một nano mét bằng 1 phần triệu của 1mm, nhỏ hơn nhiều so với đường kính sợi tóc con người Kích thước này cho phép xử lý các bộ phận nhỏ nhất của vật chất, liên kết các nguyên tử và phân tử để khai thác đặc điểm của chúng Tương tự như việc xây dựng mô hình từ các viên gạch Lego, công nghệ nano giúp tạo ra vật liệu mới hoặc cải tiến vật liệu cũ Trong các ứng dụng như lọc nước, các vật liệu có thể được điều chỉnh để loại bỏ kim loại nặng và độc tố sinh học, mang lại hiệu quả cao trong việc cải thiện chất lượng nước.
Các vật liệu kích thước nano sở hữu các đặc tính quang học và dẫn điện khác biệt so với các vật liệu có kích thước lớn hơn Chẳng hạn, titan oxit nano là chất xúc tác hiệu quả hơn so với titan oxit kích thước nhỏ, và có thể được ứng dụng trong việc phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ trong xử lý nước Tuy nhiên, kích thước nhỏ của các hạt nano cũng có thể khiến vật liệu trở nên độc hại hơn so với mức bình thường.
Công nghệ nano tập trung vào việc giải quyết các vấn đề nan giải về nước, như xử lý ô nhiễm từ vi khuẩn, virus, asen, thủy ngân, thuốc bảo vệ thực vật và muối Các nhà nghiên cứu và kỹ sư khẳng định rằng công nghệ nano mang lại giải pháp hiệu quả và bền vững hơn, nhờ vào việc sử dụng hạt nano trong xử lý nước, ít gây ô nhiễm hơn so với các phương pháp truyền thống, đồng thời yêu cầu ít nhân công, vốn, đất đai và năng lượng.
Vật liệu nano
Vật liệu nano là những vật liệu có kích thước cỡ nanômét, từ vài nm đến vài trăm nm, và là đối tượng nghiên cứu của khoa học và công nghệ nano Tính chất của vật liệu nano phụ thuộc vào kích thước của chúng, đạt tới kích thước tới hạn của nhiều tính chất hóa lý của vật liệu thông thường Khoa học nano được định nghĩa dựa trên tiền tố "nano" trong tiếng Hi Lạp, có nghĩa là rất nhỏ, với 1 nano mét tương đương 10^-9 m Các cấu trúc nano bao gồm vật liệu có một chiều như màng mỏng, hai chiều như sợi nano và ống nano, và ba chiều như hạt nano Ngoài ra, các vật liệu mao quản với kích thước từ vài đến vài chục nanômét cũng được xếp vào loại vật liệu có cấu trúc nano.
1.3.1 Phương pháp chế tạo vật liệu nano
Vật liệu nano được chế tạo thông qua hai phương pháp chính: phương pháp từ trên xuống (top-down) và phương pháp từ dưới lên (bottom-up) Phương pháp từ trên xuống tạo ra các hạt nano bằng cách giảm kích thước của các hạt lớn hơn, trong khi phương pháp từ dưới lên hình thành hạt nano từ các nguyên tử riêng lẻ.
Phương pháp từ trên xuống
Nguyên lý chế tạo vật liệu nano dựa trên kỹ thuật nghiền và biến dạng nhằm chuyển đổi vật liệu thể khối có tổ chức hạt thô thành kích thước nano Phương pháp này đơn giản, tiết kiệm và hiệu quả, có thể áp dụng cho nhiều loại vật liệu với kích thước lớn, đặc biệt trong lĩnh vực vật liệu kết cấu Trong quá trình nghiền, vật liệu dạng bột được trộn với viên bi cứng trong cối nghiền, có thể là nghiền lắc, nghiền rung hoặc nghiền quay, giúp phá vỡ bột thành hạt nano Phương pháp biến dạng sử dụng các kỹ thuật đặc biệt để tạo ra biến dạng lớn mà không làm hỏng vật liệu, bao gồm các phương pháp SPD Nhiệt độ gia công có thể điều chỉnh, với biến dạng nóng xảy ra khi nhiệt độ cao hơn nhiệt độ kết tinh lại, và biến dạng nguội khi ngược lại Kết quả thu được có thể là vật liệu nano một chiều (dây nano) hoặc hai chiều (lớp mỏng) Hiện nay, các phương pháp quang khắc cũng được sử dụng để tạo ra cấu trúc nano phức tạp.
Phương pháp từ dưới lên
Nguyên lý hình thành vật liệu nano bắt nguồn từ các nguyên tử hoặc ion, với phương pháp từ dưới lên ngày càng phát triển mạnh mẽ nhờ vào tính linh động và chất lượng sản phẩm cuối cùng Hiện nay, phần lớn vật liệu nano được sử dụng đều được chế tạo thông qua phương pháp này, có thể là 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 qua quá trình chuyển pha Nguyên tử hình thành vật liệu nano được sản xuất bằng các phương pháp như bốc bay nhiệt, bao gồm đốt, phóng xạ và phóng điện hồ quang Để tạo ra trạng thái vô định hình, vật liệu được nung nóng và làm nguội nhanh chóng, sau đó trải qua xử lý nhiệt để chuyển đổi từ dạng vô định hình sang tinh thể (kết tinh) thông qua phương pháp nguội nhanh.
Phương pháp vật lý thường được dùng để tạo các hạt nano, màng nano, ví dụ: ổ cứng máy tính
Phương pháp hóa học là kỹ thuật tạo ra vật liệu nano từ các ion, với đặc điểm đa dạng tùy thuộc vào loại vật liệu cụ thể Các phương pháp hóa học có thể được chia thành hai loại chính: hình thành vật liệu nano từ pha lỏng, như phương pháp kết tủa và sol-gel, và từ pha khí, ví dụ như nhiệt phân Phương pháp này cho phép tạo ra nhiều hình thức 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, bao gồm điện phân và ngưng tụ từ pha khí Phương pháp này cho phép tạo ra nhiều dạng vật liệu nano khác nhau như hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano và bột nano.
Ứng dụng công nghệ nano trong xử lý môi trường
1.4.1 Ứng dụng xử lý môi trường nước
Màng lọc nano được ứng dụng rộng rãi trong việc xử lý muối hòa tan và các chất ô nhiễm có kích thước nhỏ, đồng thời làm mềm nước và xử lý nước thải Với vai trò là rào cản vật lý, màng lọc nano ngăn chặn các hạt và vi sinh vật lớn hơn kích thước lỗ của màng, cho phép loại bỏ có chọn lọc các chất ô nhiễm hiệu quả.
Công nghệ nano đang cải tiến đáng kể quy trình khử mặn và giảm chi phí sản xuất Các nhà khoa học đang phát triển vật liệu mới với lỗ nano, cho hiệu suất lọc vượt trội so với thiết bị truyền thống Một nghiên cứu tại Nam Phi cho thấy màng lọc nano có khả năng tạo ra nước uống an toàn từ nước ngầm mặn Đồng thời, một nhóm nghiên cứu ở Ấn Độ và Hoa Kỳ đã chế tạo thiết bị lọc bằng ống nano carbon, giúp xử lý vi khuẩn và virus hiệu quả hơn so với các thiết bị lọc thông thường.
Đất sét attapulgite và zeolit tự nhiên được ứng dụng trong các thiết bị lọc nano, nhờ vào cấu trúc lỗ kích thước nano mét, chúng được sử dụng rộng rãi trên toàn cầu Một nghiên cứu tại Algêri cho thấy màng lọc attapulgite có khả năng loại bỏ các chất hữu cơ trong nước thải từ nhà máy sữa, tạo ra nước uống an toàn Zeolit cũng được biết đến với khả năng tách chất hữu cơ độc hại và khử ion kim loại nặng Tại Tổ chức Nghiên cứu và Khoa học Khối thịnh vượng Ôxtrâylia, các nhà nghiên cứu đã phát triển hydrotalcite, một loại đất sét tổng hợp có khả năng hấp thụ và loại bỏ asen khỏi nước Họ cũng đề xuất một hình thức bao gói mới cho sản phẩm này giống như “túi chè nhúng”, tiện lợi cho người thu nhập thấp, chỉ cần nhúng vào nước khoảng 15 phút trước khi sử dụng Việc bán túi chè đã qua sử dụng cho chính quyền địa phương sẽ góp phần thúc đẩy tái chế và xử lý chất thải chứa asen.
- Dùng công nghệ nano để xử lý nước
Chất xúc tác nano và hạt nano từ tính là những công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực nano, có khả năng chuyển đổi nước ô nhiễm nặng thành nước uống an toàn và hợp vệ sinh, cũng như nước tưới cây Các chất xúc tác ở kích thước nano sở hữu đặc tính xúc tác vượt trội, giúp nâng cao hiệu quả xử lý nước.
Các nhà nghiên cứu tại Viện Khoa học Ấn Độ ở Bangalore đã phát triển titan oxít nano để phân hủy hóa học các chất ô nhiễm, vượt trội hơn so với các công nghệ hiện có Các hạt nano từ tính với diện tích bề mặt lớn có khả năng liên kết dễ dàng với hóa chất, cho phép loại bỏ hiệu quả các chất ô nhiễm như asen và dầu mỏ thông qua nam châm Hiện nay, một số công ty đang thương mại hóa công nghệ này, trong khi các nghiên cứu mới vẫn liên tục được công bố, mở ra nhiều triển vọng trong lĩnh vực xử lý nước.
Các nhà khoa học tại Đại học Rice, Hoa Kỳ, đang phát triển hạt "nano từ tính" để xử lý asen trong nước uống Với diện tích bề mặt lớn, hạt nano từ tính có khả năng hấp thụ asen gấp 100 lần so với các loại hạt khác Nhóm nghiên cứu ước tính rằng chỉ cần 200-500mg nano từ tính có thể xử lý 1 lít nước Họ cũng đang tìm cách sản xuất nano từ tính từ các thiết bị gia dụng giá rẻ, nhằm giảm chi phí và giúp sản phẩm này tiếp cận với cộng đồng ở các nước đang phát triển.
Công nghệ nano không chỉ xử lý nước mà còn phát hiện các chất ô nhiễm trong nước Các nhà nghiên cứu đang phát triển cảm biến nhỏ gọn và chính xác để phát hiện hóa chất và chất sinh hóa trong nước Nhiều consortium trong lĩnh vực nghiên cứu đang thử nghiệm thiết bị này tại hiện trường và chuẩn bị thương mại hóa Chẳng hạn, nhóm nghiên cứu tại Đại học Pennsylvania đã phát triển phương pháp phát hiện asen trong nước bằng dây nano gắn trên chip silicon.
Hình 1.1 Cấu trúc phân tử nano
Hiện nay, nhiều sản phẩm nổi bật đã xuất hiện tại các nước đang phát triển, đồng thời cũng có những sản phẩm từ nơi khác nhưng lại đáp ứng nhu cầu thiết thực của các quốc gia phương Nam.
1 Xốp nano giữ nước mưa do Viện Công nghệ Massachusetts (Hoa Kỳ) sản xuất: Hợp chất polyme và các hạt nano thủy tinh được phủ trên bề mặt như vải để hút nước Xốp nano hoạt động hiệu quả hơn so với vật liệu truyền thống Xốp nano dung để giữ nước mưa ở các nước: Trung Quốc, Neepal và Thái Lan
2 Hạt nano từ tính xử lý asen do Đại học Rice (Hoa Kỳ) sản xuất: Các hạt nano từ tính gồm các ion oxit lơ lửng trong nước liên kết với asen, sau đó loại bỏ bằng một nam châm Ấn Độ, Bangladesh và các nước đang phát triển khác có hàng nghìn trường hợp nhiễm độc asen mỗi năm là do các giếng nước bị ô nhiễm asen
3 Màng khử mặn do Đại học California, Los Angeles và NanoH 2 O sản xuất: Hợp chất polyme và hạt nano hút các ion nước và đẩy muối hòa tan Màng khử mặn đã có mặt trên thị trường, cho phép khử mặn với chi phí năng lượng thấp hơn so với phương pháp thẩm thấu
4 Màng lọc nano do Công ty Saehan (Hàn Quốc) sản xuất: Màng lọc nano được sản xuất từ polyme có kích thước lỗ từ 0,1 -10 nano mét Màng lọc nano được thử nghiệm xử lý nước uống ở Trung Quốc và khử mặn nước ở Iran đòi hỏi ít năng lượng hơn phương pháp thẩm thấu ngược
5 Que nước trong lưới nano do Phòng thí nghiệm Seldon (Hoa Kỳ) sản xuất: Thiết bị lọc có hình dạng như cọng rơm sử dụng các ống nano cácbon đặt lên trên vật liệu dẻo có lỗ Que nước làm sạch nước uống
Các bác sĩ tại châu Phi đang áp dụng mẫu que nước trong lưới nano, với mục tiêu sản xuất sản phẩm cuối cùng tại các quốc gia đang phát triển với chi phí hợp lý.
6 Thiết bị lọc thông dụng do Công ty KX (Hoa Kỳ) sản xuất: Thiết bị lọc sử dụng lớp sợi nano được chế tạo từ các polyme, nhựa thông, gốm và các vật liệu khác để xử lý các chất ô nhiễm Thiết bị được chế tạo dành riêng cho hộ gia đình trong cộng đồng ở các nước đang phát triển sử dụng Các thiết bị lọc hiệu quả, dễ sử dụng và không cần phải bảo dưỡng
7 Thiết bị lọc thuốc bảo vệ thực vật do Viện Công nghệ Ấn Độ ở
Tổng quan về Fe và ứng dụng nano Fe trong xử lý HCHC chứa clo
- Cấu hình e nguyên tử: 26Fe: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2
- Vị trí: Fe thuộc ô 26, chu kì 4, nhóm VIIIB
- Cấu hình e của các ion được tạo thành từ Fe:
- Màu trắng hơi xám, dẻo, dễ rèn, dễ dát mỏng, kéo sợi; dẫn nhiệt và dẫn điện kém đồng và nhôm
- Sắt có tính nhiễm từ nhưng ở nhiệt độ cao (800 0 C) sắt mất từ tính T 0 nc 1540 0 C
Là kim loại phổ biến sau nhôm, tồn tại chủ yếu ở các dạng:
- Hợp chất: oxit, sunfua, silicat
- Quặng: hematit đỏ (Fe2O3 khan), hematit nâu (Fe2O3.nH2O), manhetit (Fe3O4), xiđerit (FeCO3) và pirit (FeS2)
Fe là chất khử trung bình Trong các phản ứng, Fe có thể nhường 2 hoặc 3e:
1 Tác dụng với các phi kim
Sắt tác dụng với hầu hết các phi kim khi đun nóng:
- Với halogen → muối sắt (III) halogenua (trừ iot tạo muối sắt II):
- Fe không tác dụng với nước ở nhiệt độ thường, ở nhiệt độ cao, sắt phản ứng mạnh với hơi nước:
3 Tác dụng với dung dịch axit a Với H + (HCl, H2SO4 loãng ) → muối sắt (II) + H2 b Tác dụng với các axit có tính oxi hóa mạnh (HNO3, H2SO4 đậm đặc)
- Fe thụ động với H2SO4 đặc nguội và HNO3 đặc nguội → có thể dùng thùng Fe chuyên chở axit HNO3 đặc nguội và H2SO4 đặc nguội
- Với dung dịch HNO3 loãng → muối sắt (III) + NO + H2O:
- Với dung dịch HNO3 đậm đặc → muối sắt (III) + NO2 + H2O:
- Với dung dịch H2SO4 đậm đặc và nóng → muối sắt (III) + H2O + SO2:
Sản phẩm được hình thành từ phản ứng giữa sắt (Fe) với axit nitric (HNO3) hoặc axit sulfuric (H2SO4) đậm đặc là muối sắt (III) Tuy nhiên, nếu sau phản ứng vẫn còn sắt dư hoặc có đồng (Cu) có mặt, thì sẽ tiếp tục xảy ra phản ứng hóa học.
4 Tác dụng với dung dịch muối
- Fe đẩy được những kim loại yếu hơn ra khỏi muối → muối sắt (II) + kim loại
- Fe tham gia phản ứng với muối Fe 3+ → muối sắt (II):
2.2 Ứng dụng của nano Fe trong xử lí HCHC
Môi trường ô nhiễm không chỉ do kim loại nặng mà còn bởi nhiều chất hữu cơ độc hại khác Mặc dù đã áp dụng nhiều biện pháp xử lý, hiệu quả vẫn chưa đạt yêu cầu Hạt sắt hóa trị 0 kích thước nanomet, sản phẩm của công nghệ nano, đang được phát triển như một giải pháp nhanh chóng và hiệu quả để làm sạch chất độc hại Sự kết hợp giữa công nghệ cao và ngành công nghiệp nặng hứa hẹn giải quyết vấn đề chất thải độc hại quy mô lớn thông qua các giếng phun hạt nano sắt có khả năng phản ứng mạnh Phương pháp này giúp làm mất độc tính của chất thải dạng bùn và cố định chúng tại chỗ ô nhiễm, khác với các phương pháp tốn kém trước đây như dự án Superfund Hiện tại, các nhà khoa học đang hợp tác với các công ty dược phẩm và chế tạo vật liệu để cải thiện quy trình làm sạch Sắt có khả năng oxy hóa các oxyt kim loại và phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ như tricloroethen và dioxin thành các hợp chất cacbon đơn giản Các công ty môi trường đã thực hiện quy trình tiền xử lý phế thải công nghiệp bằng vật liệu bột sắt thô, giúp làm sạch trước khi thải ra môi trường Hạt nano sắt không chỉ an toàn mà còn có khả năng phản ứng cao gấp 10-1000 lần so với hạt thông thường, nhờ kích thước nhỏ gọn của chúng.
Sắt, khác với các biện pháp xử lý sinh học tại chỗ sử dụng vi khuẩn biến đổi gen để chuyển hóa chất độc, không bị ảnh hưởng bởi các yếu tố sinh học như nhu cầu dinh dưỡng, nhiệt độ và độ axit Với kích thước nhỏ hơn từ 10 đến 1000 lần so với hầu hết các loại vi khuẩn, các tinh thể sắt nhỏ có khả năng di chuyển dễ dàng giữa các hạt đất mà không bị kẹt lại.
Các nghiên cứu về hạt nano sắt đã chỉ ra rằng chúng có khả năng giảm ô nhiễm xuống mức chấp nhận được chỉ trong vài ngày sau khi phun Hơn nữa, hạt nano sắt có thể làm sạch hoàn toàn khu vực bị rò rỉ ô nhiễm trong vòng vài tuần, đáp ứng các tiêu chuẩn chất lượng nước ngầm của Hoa Kỳ và Châu Âu.
Phương pháp phun hạt nano sắt một lần có khả năng xử lý ô nhiễm cho khu vực rộng lớn, với các hạt dư sẽ tiếp tục di chuyển trong nước ngầm cho đến khi hòa tan hoàn toàn Theo các nhà khoa học của Đại học Brown, họ đã phát triển hạt nano ôxít sắt nhỏ nhất từ trước đến nay, có đường kính khoảng 8,4 nanomet, nhằm hỗ trợ trong việc phát hiện tế bào ung thư qua chụp cộng hưởng từ (MRI) Nhóm nghiên cứu đã tiêm hạt nano vào chuột và thành công trong việc định vị tế bào ung thư não U87MG.
Các nhà khoa học đã phát triển "tên lửa dẫn đường" tí hon có khả năng tìm kiếm và tự gắn kết với tế bào u ác tính Khi gắn kết với tế bào ung thư, các hạt nano này phát ra tín hiệu mạnh hơn, giúp bác sĩ phát hiện tế bào ung thư chỉ bằng phương pháp chụp cộng hưởng từ Trong tương lai, họ dự định thử nghiệm khả năng gắn kết của các hạt nano này với các tế bào ung thư khác ở động vật cấp cao hơn.
Ô nhiễm môi trường nước và đất đang trở thành mối nguy hiểm toàn cầu, với nhiều nguồn gốc khác nhau Việc sử dụng quá nhiều phân đạm đã làm tăng hàm lượng NO3 trong nông sản, trong khi thuốc bảo vệ thực vật tồn dư lâu dài, gây độc hại cho sinh vật và con người Chất thải công nghiệp như SO2, NO2, và kim loại nặng như chì, arsenic, crom, cadimi cũng góp phần vào ô nhiễm Sử dụng nano sắt hóa trị 0 (zero-valent iron) đang trở thành giải pháp phổ biến để xử lý chất độc hại và phục hồi khu vực ô nhiễm, nhờ vào khả năng khử mạnh mẽ của nó đối với các hợp chất ô nhiễm trong đất và nước, đặc biệt là nước ngầm Từ năm 2001, Hoa Kỳ đã thực hiện hơn 20 dự án thử nghiệm, và hiện tại, nhiều dự án lớn hơn đang được triển khai tại Châu Âu và Châu Á Sự đổi mới trong công nghệ tổng hợp nano sắt đã giúp giảm chi phí và nâng cao khả năng áp dụng cho các quy mô lớn Danh sách các hợp chất vô cơ và hữu cơ có thể bị khử bằng hạt nano Fe0 đã được tổng kết, vì sự tồn tại của chúng trong đất và nước có thể gây ô nhiễm nguồn nước sinh hoạt và thực phẩm, dẫn đến nguy cơ mắc bệnh ung thư nghiêm trọng.
Bảng 1.1 Những hợp chất có thể xử lý dễ dàng bằng nano Fe 0
Hợp chất hữu cơ Hợp chất vô cơ Tetrachloromathane
Acsen Cadmi Clo Cobal Đồng Chì Mangan Nickel Selenium Uranium Kẽm Nitrate Phostphate Sulphate
3 Tổng quan về hợp chất hữu cơ chứa clo
Hợp chất hữu cơ chứa Clo là những hợp chất có chứa một hoặc nhiều nguyên tử clo liên kết với gốc hydrocacbon Công thức chung của các hợp chất này được xác định dựa trên cấu trúc phân tử của chúng.
R là gốc hydrocacbon x là số nguyên tử Clo có trong phân tử
Dựa vào cấu trúc phân tử, hợp chất Clo hữu cơ có thể được phân loại thành nhiều loại khác nhau Các hợp chất này được xác định dựa trên cấu tạo của gốc Hydrocacbon và bao gồm nhiều dạng khác nhau của hợp chất hữu cơ chứa Clo.
Hợp chất Clo hữu cơ no: hợp chất mà các nguyên tử Clo liên kết với gốc hydrocacbon mạch thẳng hay mạch vòng no
Hợp chất Clo hữu cơ mạch thẳng: CH3 – CH2Cl
Hợp chất Clo hữu cơ mạch vòng:
Hợp chất Clo hữu cơ không no: hợp chất mà các nguyên tử Clo liên kết với gốc hydrocacbon mạch thẳng hay mạch vòng không no Ví dụ như:
Hợp chất Clo hữu cơ mạch thẳng:
Hợp chất Clo hữu cơ mạch vòng không no:
Hợp chất Clo hữu cơ thơm: hợp chất mà các nguyên tử Clo liên kết với một hay nhiều gốc hydrocacbon thơm Ví dụ như:
3.2 Nguồn gốc của các hợp chất clo hữu cơ
Trong tự nhiên, các hợp chất Clo hữu cơ chủ yếu hình thành từ hiện tượng tự nhiên như khói núi lửa và cháy rừng, do đó số lượng chúng không đáng kể Tuy nhiên, các hợp chất này chủ yếu là kết quả của quá trình tổng hợp nhân tạo trong các ngành công nghiệp như sản xuất hóa chất, thuốc bảo vệ thực vật, sơn, giấy và nhựa.
Hợp chất Clo hữu cơ thường xuất hiện trong dầu thải từ thiết bị điện dân dụng và công nghiệp, bao gồm máy biến thế, tụ điện, đèn huỳnh quang và máy làm lạnh Ngoài ra, chúng cũng được sinh ra từ chất làm mát trong truyền nhiệt và trong dung môi dùng để chế tạo mực in.
3.3 Độc tính của các hợp chất Clo hữu cơ
Trong gần một thế kỷ qua, sự tiến bộ của khoa học công nghệ đã giúp chúng ta tổng hợp hàng nghìn hợp chất nhân tạo phục vụ cho sản xuất công nghiệp và đời sống Mặc dù các hợp chất này được ứng dụng rộng rãi, nhưng chúng lại có nhược điểm lớn là gây nguy hiểm cho môi trường và sức khỏe con người Đặc biệt, các hợp chất Clo hữu cơ bền vững, kim loại nặng và nguyên tố phóng xạ là những chất nguy hiểm nhất.
Các hợp chất Clo hữu cơ là những chất phổ biến trong ngành công nghiệp, nhưng chúng gây ra tác động nghiêm trọng đến môi trường do độc tính cao và khả năng phân hủy kém khi bị đốt cháy Những hợp chất này thường có cấu trúc vòng ổn định, khiến chúng tồn tại lâu dài và có khả năng luân chuyển trong môi trường Đặc biệt, chúng có thể tích lũy trong cơ thể người và động vật qua chuỗi thức ăn Thời gian phân hủy và chuyển hóa của các hợp chất này có thể kéo dài hàng chục năm, để lại hậu quả nặng nề cho sức khỏe con người và động vật.
3.4 Hợp chất hữu cơ chứa Clo TCE
Trichloroethylene (C2HCl3) là một hợp chất hữu cơ dạng lỏng, không cháy, với mùi ngọt đặc trưng Thường được biết đến với các tên gọi như TCE, Trichlor, Trike, Tricky, và Tri, TCE còn được thương mại hóa dưới các tên như Trima và Trilene Trong y học, TCE được sử dụng như một chất gây mê và giảm đau thông qua việc hít vào của bệnh nhân.
Hình 1.3 Cấu tạo phân tử TCE
- Công thức phân tử: C2HCl3
- Khối lượng phân tử: 131.39 g/mol
- Ngoại quan: Chất lỏng không màu
2 Sản xuất: Đầu những năm 70 của thế kỷ 20, TCE được sản xuất qua một quá trình gồm 2 bước từ acetylene Đầu tiên acetylene được xử lý với khí clo với sự hiện diện của sắt (III) clorua (FeCl3) ở 90 o C để cho ra 1,1,2,2-tetrachloroethane theo phương trình phản ứng sau:
HC≡CH + 2 Cl2 →Cl2CHCHCl2
Sau đó 1,1,2,2-tetrachloroethane được khử HCl để cho ra TCE Phản ứng này có thể được thực hiện bằng cách cho tác dụng với dung dịch calcium hydoxide
2 Cl2CHCHCl2 + Ca(OH)2→ 2 ClCH2 + CaCl2 + 2 H2O hoặc nung nóng trong pha khí ở nhiệt độ 300-500 o C với xúc tác BaCl2 hoặc CaCl2
NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Đối tượng nghiên cứu
- Vật liệu nano Fe 0 trên nền Chitosan
- Hợp chất hữu cơ chứa clo
Phạm vi nghiên cứu
- Địa điểm : phòng thí nghiệm bộ môn Hóa, khoa Môi trường, Học viện Nông nghiệp Việt Nam
- Thời gian : từ tháng 1/2016 đến tháng 6/2016
Nghiên cứu này tập trung vào việc chế tạo vật liệu nano Fe 0 dựa trên nền Chitosan, đồng thời khảo sát khả năng xử lý các hợp chất hữu cơ chứa clo Mục tiêu của nghiên cứu là xác định điều kiện tối ưu cho hiệu suất của vật liệu trong quá trình xử lý.
- Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano Fe 0 trên nền Chitosan
- Khảo sát khả năng xử lí hợp chất hữu cơ chứa clo của vật liệu
- Xác định điều kiện tối ưu tăng khả năng xúc tác của vật liệu
4.1 Phương pháp thu thập số liệu
-Thu thập , tổng hợp , phân tích tài liệu thông tin thông qua sách báo, internet và các công trình nghiên cứu trước đó
4.2 Phương pháp tiến hành thí nghiệm
- Ống đong (100 ml), Bình tam giác (250 ml), Cốc mỏ (50ml, 100ml), đũa thủy tinh, quỳ tím
- Cân phân tích (Ohaus PA214)
- Cân kỹ thuật (Ohaus PA 2 số lẻ)
- Kính hiển vi điện tử quét
- Hóa chất và nguyên liệu
- (FeCl2.4H2O), Sodium borohydride (NaBH4), trichloroethylene (C2HCl3), etanol (C2H5OH), Silver nitrat (AgNO3, tinh thể)
4.2.1 Phương pháp điều chế vật liệu nano Fe 0
Quy trình chế tạo vật liệu nano Fe 0 trên nền Chitosan
Dựa vào nghiên cứu của L Wu, S.M.C Ritchie, 2006, chúng tôi đưa ra quy trình chế tạo vật liệu nano Sắt trên nền Chitosan như sau:
Để chuẩn bị dung dịch Chitosan, bạn cần cân 50g bột Chitosan và hòa tan với 1 lít giấm ăn Sau đó, để hỗn hợp trong 24 giờ cho Chitosan hoàn toàn tan Kết quả thu được là dung dịch Chitosan 9,7% có độ đặc sệt và màu vàng đến vàng nâu, được bảo quản trong cốc thủy tinh kín.
Để thực hiện thí nghiệm, bước đầu tiên là cân 3,05g FeCl2.4H2O và hòa tan vào 100ml nước cất, lắc đều cho dung dịch tan hoàn toàn Tiếp theo, từ từ thêm 4,75g NaBH4 vào dung dịch đã pha, tạo ra hỗn hợp dung dịch màu đen Để hỗn hợp này trong 6 phút cho hết bọt khí, sau đó thêm tiếp 1,3g NaBH4 vào hỗn hợp.
Bước 2: Đem lắc hỗn hợp trong 24 phút, tốc độ 150 vòng/phút
Bước 3: Sau khi lắc, đem gạn lấy phần chất rắn màu đen, trộn với lượng Chitosan đã cân, tráng hỗn hợp lên tấm kính khô, sạch
Bước 4: Rửa hỗn hợp bằng ethanol, đem sấy khô ở nhiệt độ 105 o C trong 60 phút ta được sản phẩm, sản phẩm sau sấy được ngâm trong ethanol tinh khiết
4.2.2 Phương pháp kiểm tra đặc tính của vật liệu
Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM)
4.2.3 Phương pháp khảo sát khả năng xử lí của Fe 0 nano với hợp chất hữu cơ chứa clo
Bước 1 : Hút chính xác 1 lượng xác định dung dịch TCE (80ml/l) cho vào các bình tam giác
Bước 2 : Cho khối lượng xác định vật liệu nano vào môi trường pH xác định.Lắc mẫu trong mức thời gian xác định
Bước 3: Sau khi lắc, hút 10ml dung dịch để xác định hàm lượng Cl- bằng phương pháp chuẩn độ với dung dịch AgNO3, từ đó tính toán được hiệu suất của phản ứng.
Quá trình xử lý dựa theo phương trình:
4.3 Phương pháp xử lí số liệu
Sử dụng phương pháp xử lí thống kê toán học và phần mềm exel để tính toán kết quả
Tính toán hiệu suất xử lí Clo
Số mol TCE = CM TCE VTCE
Số mol Cl - = 1/3 số mol TCE (1)
- Theo phương trình chuẩn độ VAgNO3.NAgNO3= VCl-.NCl-
Nồng độ mol CCl-= VAgNO3.NAgNO3 : NCl-
Số mol Cl - = CCl- VCl- (2)
Từ (1) và (2) ta có hiệu suất xử lí Clo
H % = số mol Cl - chuẩn độ : số mol Cl - trong TCE
