Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Tổng hợp oxit hỗn hợp hệ Mn – Fe kích thước nanomet ứng dụng để xử lý As, Fe và Mn trong nước sinh hoạt

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:79

Thêm vào BST

Báo xấu

21
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài này nghiên cứu tổng hợp oxit phức hợp hệ Mn – Fe và ứng dụng để xử lý asen, sắt, mangan trong nước sinh hoạt. Vật liệu nano có diện tích bề mặt rất lớn cho phép các hạt nano tham gia phản ứng như là chất phản ứng hợp thức trong phản ứng hóa học, không giống như các khối chất rắn nên chúng là vật liệu lý tưởng để làm xúc tác cho các phản ứng hoá học. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Tổng hợp oxit hỗn hợp hệ Mn – Fe kích thước nanomet ứng dụng để xử lý As, Fe và Mn trong nước sinh hoạt

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM TRƢỜNG ĐẠI HỌC VIỆN HOÁ HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN PHẠM NGỌC CHỨC TỔNG HỢP OXIT HỖN HỢP HỆ Mn – Fe KÍCH THƢỚC NANOMET ỨNG DỤNG ĐỂ XỬ LÝ As, Fe VÀ Mn TRONG NƢỚC SINH HOẠT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2012 1
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM TRƢỜNG ĐẠI HỌC VIỆN HOÁ HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Phạm Ngọc Chức TỔNG HỢP OXIT HỖN HỢP HỆ Mn – Fe KÍCH THƢỚC NANOMET ỨNG DỤNG ĐỂ XỬ LÝ As, Fe VÀ Mn TRONG NƢỚC SINH HOẠT Chuyên ngành: Hóa vô cơ Mã số: 60.44.25 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Lƣu Minh Đại Hà Nội - 2012 2
Mục Lục Lời cảm ơn Trang Mục lục i Mục lục các bảng v Mục lục các hình vii Mục lục các ký hiệu, chữ viết tắt iv Mở đầu Chƣơng Tổng quan 1 1.1. Giới thiệu về công nghệ nano 3 1.1.1 Một số khái niệm 3 1.1.2. Ứng dụng của công nghệ nano 3 1.2. Nước ngầm và sự ô nhiễm 7 1.2.1. Sự ô nhiễm As, Fe và Mn 9 1.2.2. Tác hại của As, Fe, Mn đối với sức khỏe con người 10 1.3. Các giải pháp xử lý As, Fe, Mn 12 1.3.1. Phương pháp trao đổi ion 15 1.3.2. Phương pháp oxi hóa – kết tủa 15 1.3.3. Phương pháp hấp phụ 16 1.4. Một số phương pháp điều chế vật liệu nano 16 1.4.1. Phương pháp gốm truyền thống 17 1.4.2. Phương pháp đồng tạo phức 17 1.4.3. Phương pháp đồng kết tủa 17 4
1.4.4. Phương pháp sol – gel 18 1.4.5. Tổng hợp đốt cháy gel polyme 18 1.5. Tổng hợp vật liệu oxit sắt và vật liệu oxit mangan kích 19 thước nanomet 1.5.1. Tổng hợp vật liệu oxit sắt 20 1.5.2. Tổng hợp vật liệu oxit mangan 20 Chƣơng Các phƣơng pháp nghiên cứu và thực nghiệm 21 2.1. Phương pháp tổng hợp vật liệu 22 2.1.1. Lựa chọn phương pháp tổng hợp vật liệu 22 2.1.2. Tổng hợp oxit hỗn hợp Mn2O3 – Fe2O3 22 2.2. Các phương pháp nghiên cứu đặc trưng vật liệu 23 2.3. Phương pháp hấp phụ 24 2.3.1. Khái niệm chung 26 2.3.2. Cân bằng hấp phụ và dung lượng hấp phụ 26 2.3.3. Phương trình động học hấp phụ 27 2.3.4. Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ langmuir 28 2.4. Phương pháp xác định sắt, mangan và asen trong dung 29 dịch Chƣơng Kết quả và thảo luận 31 3.1. Vật liệu Mn2O3 – Fe2O3 33 3.1.1. Phương pháp tổng hợp vật liệu Mn2O3 – Fe2O3 33 3.1.2. Lựa chọn nhiệt độ nung 33 5
3.1.3. Khảo sát ảnh hưởng của pH tạo gel 33 3.1.4. Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ mol kim loại và PVA 34 3.1.5. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ tạo gel 35 3.2. Đánh giá khả năng hấp phụ As trên vật liệu Mn2O3 – 36 Fe2O3 3.2.1. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất hấp phụ 38 3.2.2. Khảo sát sự hấp phụ As trên vật liệu Mn2O3 – Fe2O3 theo 38 mô hình đẳng nhiệt Langmuir 3.3. Đánh giá khả năng hấp phụ sắt trên oxit hỗn hợp Mn 2O3 – 39 Fe2O3 3.4. Đánh giá khả năng hấp phụ mangan trên oxit hỗn hợp 43 Mn2O3 – Fe2O3 3.5. Một Một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phu của 46 vật liệu 3.5.1. Khảo sát ảnh hưởng của pH 48 3.5.2. Khảo sát ảnh hưởng của các anion SO42-, Cl-, HCO3- và 48 PO43- 3.5.3. Khảo sát ảnh hưởng của cation NH4+, Mn2+ và Fe3+ 49 3.6. Vật liệu oxit phức hợp hệ Mn – Fe trên nền cát thạch anh 50 (TA) 3.6.1. Phương pháp tổng hợp vật liệu oxit hỗn hợp trên nền cát 51 thạch anh 3.6.2. Đánh giá khả năng hấp phụ của vật liệu oxit hỗn hợp 51 6
Mn2O3 – Fe2O3 trên nền cát thạch anh (T.A). 3.6.2.1. Khảo sát sự hấp phụ As theo mô hình đẳng nhiệt 53 Langmuir 3.6.2.2. Khảo sát khả năng hấp phụ sắt của vật liệu oxit hỗn hợp 53 Mn2O3 – Fe2O3/T.A 3.6.2.3. Khảo sát khả năng hấp phụ mangan của vật liệu oxit hỗn 56 hợp Mn2O3 – Fe2O3/T.A Kết luận 57 Danh mục các công trình của tác giả 59 Tài liệu tham khảo 60 Phụ lục 61 7
Mục lục các bảng Trang Bảng 1.1 Dung lượng hấp phụ As của oxit sắt và oxit mangan 21 Bảng 3.1 Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất hấp phụ As(III) 38 trên Mn2O3 – Fe2O3. Bảng 3.2 Dung lượng hấp phụ As(III) trên Mn2O3 – Fe2O3 kích 39 thước nanomet Bảng 3.3 Dung lượng hấp phụ As(V) trên Mn2O3 – Fe2O3 kích 41 thước nanomet Bảng 3.4 Dung lượng hấp phụ của một số oxit nano 43 Bảng 3.5 Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất hấp phụ Fe(III) 44 trên Mn2O3 – Fe2O3 Bảng 3.6 Dung lượng hấp phụ As(V) trên Mn2O3 – Fe2O3 kích 45 thước nanomet Bảng 3.7 Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất hấp phụ Mn(II) 46 trên Mn2O3 – Fe2O3. Bảng 3.8 Dung lượng hấp phụ Mn(II) trên Mn2O3 – Fe2O3 kích 47 thước nanomet Bảng 3.9 Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất hấp phụ asen của vật 48 liệu oxit hỗn hợp Fe2O3 – Mn2O3. Bảng 3.10 Ảnh hưởng của anion đến hiệu suất hấp phụ (H%) đối 49 với As(V) 8
Bảng 3.11 Ảnh hưởng của cation đến hiệu suất hấp phụ (H%) đối 50 với As(V) Bảng 3.12 Kết quả xác định hàm lượng sắt, mangan trên cát thạch 53 anh. Bảng 3.13 Dung lượng hấp phụ As(III) trên Mn2O3 – Fe2O3/ T.A. 54 Bảng 3.14 Dung lượng hấp phụ As(V) trên Mn2O3 – Fe2O3 / T.A 55 Bảng 3.15 Dung lượng hấp phụ Fe(III) trên Mn2O3 – Fe2O3 / T.A. 56 Bảng 3.16 Dung lượng hấp phụ Mn(II) trên Mn2O3 – Fe2O3/ T.A. 57 9
Mục lục các hình Trang Hình 2.1 Sơ đồ chế tạo vật liệu 23 Hình 2.2 Đường cong động học biểu thị sự phụ thuộc của dung lượng 29 hấp phụ vào thời gian và nồng độ chất bị hấp phụ (C1 > C2) Hình 2.3 Xây dựng đồ thị sự phụ thuộc Cf/q vào Cf 31 Hình 3.1 Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen của mẫu nung ở nhiệt độ khác 34 nhau Hình 3.2 Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen của mẫu được tổng hợp ở pH 35 khác nhau Hình 3.3 Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen của mẫu được chế tạo ở tỷ lệ 36 Fe/Mn khác nhau Hình 3.4 Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen của mẫu ở các nhiệt độ tạo gel 37 khác nhau Hình 3.5 Ảnh SEM của mẫu nung ở 5500C 37 Hình 3.6 Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất hấp phụ đối với As 39 Hình 3.7 Đường đẳng nhiệt hấp phụ As(III) trên Mn2O3 – Fe2O3 kích 40 thước nanomet Hình 3.8 Đường đẳng nhiệt hấp phụ As(V) trên Mn2O3 – Fe2O3 kích 41 thước nanomet Hình 3.9 Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất hấp phụ đối với Fe 44 Hình 3.10 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Fe(III) trên Mn2O3 – Fe2O3 kích 45 thước nanomet 10
Hình 3.11 Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất hấp phụ đối với Mn 47 Hình 3.12 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Mn(II) trên Mn2O3 – Fe2O3 kích 48 thước nanomet. Hình 3.13 Sơ đồ tổng hợp vật liệu oxit hỗn hợp hệ Mn – Fe trên nền 52 cát thạch anh. Hình 3.14 Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen của vật liệu oxit hỗn hợp 53 Hình 3.15 Đường đẳng nhiệt hấp phụ As(III) trên Mn2O3 – Fe2O3/T.A 54 Hình 3.16 Đường đẳng nhiệt hấp phụ As(V) trên Mn2O3 – Fe2O3/T.A 55 Hình 3.17 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Fe(III) trên Mn2O3 – Fe2O3/T.A 56 Hình 3/18 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Mn(II) trên Mn2O3 – Fe2O3/T.A 58 11
Các chữ, ký hiệu viết tắt XRD Phương pháp nhiễu xạ tia X SEM Kính hiển vi điện tử quét CS Tổng hợp đốt cháy SHS Quá trình lan truyền nhiệt độ cao phát sinh trong phản ứng PVA Poly vinyl alcohol BET Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam KL/PVA Tỉ lệ kim loại lấy theo tỉ lượng trên Poly vinyl alcohol theo mol T.A Cát thạch anh 12
MỞ ĐẦU Xu hướng của khoa học ứng dụng hiện nay là nghiên cứu các đối tượng nhỏ bé có kích thước tiến đến kích thước của nguyên tử. Vật liệu có kích thước nanomet, thường được gọi là vật liệu nano gần đây đã trở thành một trong những hướng nghiên cứu nổi bật nhất trong lĩnh vực hóa học, vật lí và y học của thế giới. Các phương pháp tổng hợp vật liệu nano được phân chia thành phương pháp vật lí và phương pháp hóa học. Các phương pháp vật lí bao gồm phương pháp nhiệt hóa, phương pháp nhiệt phân dạng phun sương, phương pháp ngưng tụ pha, phương pháp nhiệt phân ngọn lửa… Phương pháp hóa học bao gồm một số phương pháp như thủy phân, kết tủa, phương pháp sol – gel, phương pháp tổng hợp đốt cháy… Vật liệu được tổng hợp bằng phương pháp hóa học có tính đồng nhất, kích thước hạt và hình thái học tốt hơn so với vật liệu được tổng hợp bằng phương pháp vật lí. Trong số các phương pháp tổng hợp hóa học, phương pháp tổng hợp đốt cháy ngày càng chiếm vị trí quan trọng trong chế tạo vật liệu nano, vật liệu gốm mới, chất xúc tác, compozit. Quá trình tổng hợp được thực hiện trên cơ sở phản ứng oxi hóa – khử tỏa nhiệt giữa hợp phần kim loại và hợp phần không kim loại, quá trình phản ứng tạo ra nhiệt độ cao, diễn ra trong thời gian ngắn cho sản phẩm hạt có kích thước nanomet. Những đặc tính này làm cho tổng hợp đốt cháy trở thành một phương pháp hấp dẫn để sản xuất vật liệu với chi phí thấp hơn so với phương pháp khác. Vật liệu nano có diện tích bề mặt rất lớn cho phép các hạt nano tham gia phản ứng như là chất phản ứng hợp thức trong phản ứng hóa học, không giống như các khối chất rắn nên chúng là vật liệu lý tưởng để làm xúc tác cho các phản ứng hoá học. Trong lĩnh vực xử lí môi trường, việc sử dụng các vật liệu nano làm chất hấp phụ được phát triển từ cuối thế kỷ XX. Những nghiên cứu đã công bố cho thấy oxit nano của kim loại chuyển tiếp như sắt, mangan, titan.... có khả năng tách loại rất tốt các kim loại nặng và một số hợp chất hữu cơ. Việc nghiên 13
cứu chế tạo oxit có kích thước nano, ứng dụng hấp phụ các chất gây ô nhiễm nước như asen, sắt, mangan là cần thiết và có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Chính vì vậy chúng tôi chọn đề tài “Tổng hợp oxit hỗn hợp hệ Mn – Fe kích thước nanomet ứng dụng để xử lý As, Fe và Mn trong nước sinh hoạt ” Trong khuôn khổ của luận văn này chúng tôi nghiên cứu tổng hợp oxit phức hợp hệ Mn – Fe và ứng dụng để xử lý asen, sắt, mangan trong nước sinh hoạt. 14
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Giới thiệu về công nghệ nano 1.1.1. Một số khái niệm Công nghệ nano Ý tưởng cơ bản về công nghệ nano được đưa ra bởi nhà vật lý học người Mỹ Richard Feynman vào năm 1959, ông cho rằng khoa học đã đi vào chiều sâu của cấu trúc vật chất đến từng phân tử, nguyên tử vào sâu hơn nữa. Nhưng thuật ngữ “công nghệ nano” mới bắt đầu được sử dụng vào năm 1974 do Nario Taniguchi một nhà nghiên cứu tại trường đại học Tokyo sử dụng để đề cập khả năng chế tạo cấu trúc vi hình của mạch vi điện tử. Công nghệ nano bao gồm việc thiết kế, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị hay hệ thống ở kích thước nanomet (1nm = 10-9m). Trong công nghệ nano, nghiên cứu vào sử dụng các hệ bao gồm các cấu tử có kích thước nanomet (10-9 m) với cấu trúc phân tử hoàn chỉnh trong việc chuyển hoá vật chất, năng lượng và thông tin. Trước đây, thuật ngữ này được sử dụng với ý nghĩa hẹp hơn, ám chỉ các kĩ thuật sản suất và đo đạc các thực thể với kích thước nhỏ hơn 100 nm. Như vậy, theo định nghĩa thì công nghệ nano không phải là công nghệ bao hàm nghiên cứu cơ bản về cấu tử có độ lớn nằm giữa 1nm và 100 nm. Để hiểu rõ hơn định nghĩa, ta có thể nêu ra một số ví dụ của thế giới nano. Chẳng hạn những hạt muội than từ một thế kỷ nay là phụ gia không thể thiếu cho vật liệu cao su làm lốp xe vì nó tạo độ bền cần thiết cho vật liệu. Vậy từ lâu vật liệu nano đã đi vào cuộc sống thường nhật của chúng ta. Một số chất dùng trong tiêm chủng cũng thuộc “nano” bởi vì chúng chứa một hoặc một vài chủng protein, 15
nghĩa là các phần tử vĩ mô cỡ nanomet. Nhưng ta không thể xếp chúng vào công nghệ nano được. Vật liệu ở thang đo nano, bao gồm các lá nano, sợi và ống nano, hạt nano được điều chế bằng nhiều cách khác nhau. Ở cấp độ nano, vật liệu có những tính năng đặc biệt mà vật liệu truyền thống không có được đó là do sự thu nhỏ kích thước và tăng diện tích mặt ngoài của loại vật liệu này [20]. Để hiểu rõ về công nghệ nano, ta phải tìm hiểu khái niệm về vật liệu nano Vật liệu nano (nano materials) Công nghệ nano không thể xuất hiện nếu như không có vật liệu nano. Khó có thể xác định chính xác thời điểm xuất hiện của khoa học vật liệu nano, song người ta nhận thấy rằng vài thập niên cuối của thế kỷ XX là thời điểm mà các nhà vật lý, hoá học và vật liệu học quan tâm mạnh mẽ đến việc điều chế, nghiên cứu tính chất và những sự chuyển hoá của các phần tử có kích thước nanomet. Đó là do các phần tử nano biểu hiện những tích chất điện, hoá, cơ, quang, từ ... khác rất nhiều so với vật liệu khối thông thường [11; 12]. Ví dụ fulleren C60 gồm 12 mặt ngũ giác đều, 20 mặt lục giác đều, mỗi C có lai hoá sp 2, do đó có hệ electron  giải toả đều cả mặt trong và mặt ngoài của phân tử hình cầu, tương tự như hệ electron  giải toả trên lớp graphit. Người ta xem fulleren là dạng hình cầu của graphit. C60 kết tinh dạng tinh thể lập phương tâm diện màu đỏ tía, tan tốt trong dung môi không phân cực, có khả năng thăng hoa. Tinh thể C 60 được biến tính bởi kim loại kiềm hay kiềm thổ (K3C60, CsRb2C60) có tính siêu dẫn ở nhiệt độ cao (333K). Màng mỏng C60 có thể bị hidro hoá, metyl hoá, halogel hoá, trong đó các nhóm thế nằm ở mặt ngoài. Nó tạo thành phức chất với kim loại chuyển tiếp như C60O2Os2(4-t-butylpyridin)2, C60Ir(CO)Cl(PH3)2 ... Khái niệm vật liệu nano tương đối rộng, chúng có thể là tập hợp các nguyên tử kim loại hay phi kim, oxit, sunfua, cacbua, nitrua ... có kích thước trong khoảng 1-100 nm; Đó cũng có thể là các vật liệu xốp với đường kính mao 16
quản dưới 100 nm (zeolit, photphat và cacboxylat kim loại). Như vậy vật liệu nano có thể được định nghĩa một cách khái quát là loại vật liệu mà trong cấu trúc của các thành phần cấu tạo nên nó ít nhất phải có một chiều ở kích thước nanomet. Có thể nhận thấy rằng ở vật liệu nano, do kích thước hạt vô cùng nhỏ (chỉ lớn hơn kích thước phân tử 1 – 2 bậc) nên hầu hết các nguyên tử tự do thể hiện toàn bộ tính chất của mình khi tương tác với môi trường xung quanh. Trong khi ở vật liệu thông thường chỉ có một số ít nguyên tử nằm trên bề mặt, còn phần lớn các nguyên tử nằm sâu trong thể tích của vật, bị các nguyên tử ở lớp ngoài che chắn. Do đó có thể chờ đợi ở các vật liệu nano những tính chất khác thường sau: - Tương tác của các nguyên tử và các điện tử trong vật liệu bị ảnh hưởng bởi các biến đổi trong phạm vi thang nano, do đó khi làm thay đổi cấu hình của vật liệu ở thang nano ta có thể điều khiển được các tính chất của vật liệu theo ý muốn mà không cần thay đổi thành phần hoá học của nó [23]. - Vật liệu có cấu trúc nano có tỷ lệ diện tích bề mặt rất lớn cho phép các hạt nano tham gia phản ứng như là chất phản ứng hợp thức trong phản ứng hóa học, không giống như các khối chất rắn nên chúng là vật liệu lý tưởng để làm xúc tác cho các phản ứng hoá học, thiết bị lưu trữ thông tin. Các chất xúc tác có cấu trúc nano sẽ làm tăng hiệu suất của các phản ứng hoá học và các quá trình cháy, đồng thời sẽ làm giảm tới mức tối thiểu phế liệu và các chất khí gây hiệu ứng nhà kính. Hơn nữa một nửa số dược phẩm mới đang dùng để chữa trị hiện nay đều ở dạng các hạt có kích thước micromet và không tan trong nước, nhưng nếu kích thước được giảm xuống thang nanomet thì chúng sẽ rất dễ dàng được hoà tan. Vì vậy, vật liệu nano sẽ tạo ra một sự phát triển mạnh mẽ trong việc sản suất các loại thuốc mới với hiệu quả cao và dễ sử dụng hơn [23]. 17
- Tốc độ tương tác, truyền tin giữa các cấu trúc nano nhanh hơn rất nhiều so với cấu trúc micro và có thể sử dụng tính chất ưu việt này để chế tạo ra hệ thống thiết bị truyền tin nhanh với hiệu quả năng lượng cao [6]. - Vì các hệ sinh học về cơ bản có tổ chức vật chất ở thang nano, nên nếu các bộ phận nhân tạo dùng trong tế bào có tổ chức cấu trúc nano bắt chước tự nhiên thì chúng dễ dàng tương thích sinh học [6]. Những tính chất khác thường trên đang là đối tượng khám phá của các nhà khoa học. Vấn đề này thuộc “Hiệu ứng kích thước” (size effect). Những nghiên cứu về vât liệu nano hiện đang dừng ở mức khảo sát và thăm dò, nghĩa là tìm phương pháp điều chế rồi khảo sát cấu tạo và tính chất sản phẩm thu được, tích luỹ dữ kiện. Những nghiên cứu lí thuyết mô hình hoá các loại vật liệu nano mới và tính chất của chúng đã xuất hiện nhưng chưa nhiều, và kết quả chưa được kiểm chứng vì dữ kiện thực nghiệm còn nghèo. Hiện nay các vật liệu nano được phân loại như sau: - Vật liệu nano trên cơ sở cacbon như ống cacbon - Các loại vật liệu không trên cơ sở cacbon: vật liệu kim loại, vật liệu oxit, vật liệu xốp ... - Các phân tử tự tổ chức và tự nhận biết. Hoá học nano Hoá học nano là khoa học nghiên cứu các phương pháp tổng hợp và xác định tính chất của vật liệu nano [6]. Để tổng hợp các vật liệu nano người ta có thể dùng tất cả các phương pháp tổng hợp hoá học truyền thống như ngưng tụ pha hơi, phản ứng pha khí, kết tủa trong dung dịch, nhiệt phân, thuỷ phân, điện kết tủa, oxi hoá, phản ứng vận chuyển, sol – gel [25; 26]... Tuy nhiên, điều quan trọng nhất để tổng hợp vật liệu nano là kiểm soát kích thước và sự phân bố theo kích thước của các cấu tử hay 18
các pha tạo thành, do đó các phản ứng thường được thực hiện trên khuôn (đóng vai trò như những bình phản ứng nano) vừa tạo ra không gian thích hợp, vừa có thể định hướng cho sự sắp xếp các nguyên tử trong phân tử hoặc giữa các các phân tử với nhau. Ngày nay người ta đã dùng các khuôn là các ion kim loại, các mixen được tạo thành bởi các chất hoạt động bề mặt, các màng photpholipit [22]. 1.1.2. Ứng dụng của công nghệ nano Công nghệ nano là một bước tiến bộ vượt bậc của công nghệ hứa hẹn sẽ “thay đổi cuộc sống của con người” bởi có những tính chất nổi trội và mới lạ. Chúng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau của đời sống kinh tế xã hội, nhưng bên cạnh đó cũng có những thách thức đặt ra về thảm họa môi trường và khả năng phát triển vũ khí loại mới với sức tàn phá không gì so sánh nổi. Tuy nhiên, con người ngày nay đã hướng nhiều hơn với cái thiện nên chúng ta có thể hy vọng là công nghệ nano sẽ mang lại hạnh phúc cho nhân loại nhiều hơn. Công nghệ nano với lĩnh vực điện tử, quang điện tử, công nghệ thông tin và truyền thông Không có một lĩnh vực nào mà công nghệ nano có ảnh hưởng nhiều như điện tử, công nghệ thông tin và truyền thông. Điều này được phản ánh rõ nhất ở số lượng các transitor kiến tạo nên vi mạch máy tính, số lượng các transitor trên một con chíp tăng lên làm tăng tốc độ xử lý của nó, giảm kích thước linh kiện, dẫn tới giảm giá thành, nâng cao hiệu quả kinh tế lên nhiều lần. Ứng dụng đầu tiên của công nghệ nano là tạo các lớp bán dẫn siêu mỏng mới. Ngoài ra công nghệ nano còn mở ra cho công nghệ thông tin một triển vọng mới: chế tạo linh kiện hoàn toàn mới, rẻ hơn và có tính năng cao hơn hẳn so với transitor, đó là các chấm lượng tử được chế tạo ở mức độ tinh vi, mỗi chiều chỉ có 1nm thì một linh kiện cỡ 1 cm3 sẽ lưu trữ được 1000 tỷ tỷ bit, tức là toàn bộ thông tin của tất cả các thư viện trên thế giới này có thể lưu giữ trong đó [21]. 19
Quang điện tử cũng là một yếu tố chủ chốt của cuộc cách mạng công nghệ thông tin. Lĩnh vực này cũng đang có xu thế giảm tối đa kích thước, ví dụ như một số linh kiện của thiết bị phát tia laze năng lượng lượng tử, các màn hình tinh thể lỏng đòi hỏi được chế tạo với độ chính xác cỡ vài nanomet. Công nghệ nano với lĩnh vực sinh học và y học Ứng dụng công nghệ nano trong lĩnh vực sinh học để tạo ra các thiết bị cực nhỏ có thể đưa vào cơ thể để tiêu diệt virut và các tế bào ung thư, tạo ra hàng trăm các dược liệu mới từ các vi sinh vật mang ADN tái tổ hợp, tạo ra các protein cảm ứng có thể tiếp nhận các tín hiệu của môi trường sống, tạo ra các động cơ sinh học mà phần di động chỉ có kích thước cỡ phân tử protein, tạo ra các chíp sinh học và tiến tới khả năng tạo ra các máy tính sinh học với tốc độ truyền đạt thông tin như bộ não. Công nghệ nano sinh học còn có thể được ứng dụng trong y học để tạo ra một phương pháp tổng hợp, thử nghiệm để bào chế dược phẩm, nâng cao các kĩ thuật chuẩn đoán, liệu pháp và chiếu chụp ở cấp độ tế bào với độ phân giải cao hơn độ phân giải của chụp hình cộng hưởng từ. Một số công cụ đã được phát triển trong những năm gần đây như: kính hiển vi đầu dò quét (SPM), kính hiển vi nguyên tử lực (AFM) cho phép quan sát trực tiếp hoạt động của từng phân tử bên trong các hệ sinh vật và sự chuyển động của phân tử ở thời gian thực bên trong một động cơ cấp phân tử [27]. Hy vọng rằng việc ứng dụng các thành tựu của công nghệ nano vào lĩnh vực sinh học và y học sẽ tạo ra được những biện pháp hữu hiệu để nâng cao sức khoẻ, tăng tuổi thọ con người Công nghệ nano với vấn đề môi trƣờng Hoá học xanh và môi trường được quan tâm đặc biệt trong thời gian gần đây. Các kim loại dạng bột mịn như Fe, Mn, Zn thể hiện hoạt tính cao với các hợp chất hữu cơ chứa clo trong môi trường nước. Điều này dẫn tới việc sử dụng 20
thành công loại màng chứa cát và bột kim loại xốp để làm sạch nước ngầm. Các oxit kim loại nano với sự phân huỷ của chất hấp phụ, do đó các vật liệu mới này được gọi là các “chất hấp thụ phân huỷ”. Chúng được sử dụng trong việc xử lí khí, phá huỷ các chất độc hại [28,29]. Công nghệ nano với vấn đề năng lƣợng Nhu cầu về năng lượng là một thách thức nghiêm trọng đối với sự tồn tại và phát triển của thế giới. Trước một thực tế là các nguồn năng lượng truyền thống đang ngày một cạn kiệt thì việc tìm ra các nguồn năng lượng khác thay thế là một nhiệm vụ cấp bách đặt ra. Năng lượng mặt trời có thể chuyển hoá trực tiếp thành điện năng nhờ pin quang điện. Nguồn nhiên liệu sạch là hidro có thể được tạo ra nhờ phản ứng quang hoá phân huỷ nước. Các quá trình trên đạt hiệu quả cao khi sử dụng các vật liệu nano. Việc lưu trữ hidro được thực hiện khi sử dụng các vật liệu ống nano [30,31]. Công nghệ nano với lĩnh vực vật liệu Vật liệu compozit gồm các vật liệu khác nhau về cấu trúc và thành phần, sử dụng các hạt nano trong vật liệu composit làm tăng tính chất cơ lí, giảm khối lượng, tăng khả năng chịu nhiệt và hoá chất, thay đổi tương tác với ánh sáng và các bức xạ khác. Các vật liệu gốm compozit được sử dụng làm lớp mạ trong điều kiện cơ, nhiệt khắc nhiệt. Các lớp mạ tạo bởi các hạt nano có các tính chất khác thường như thay đổi màu khi có dòng điện đi qua. Các loại sơn tường chứa các hạt nano làm tăng khả năng chống bám bụi. Trên thị trường đã xuất hiện loại thuỷ tinh tự làm sạch do được mạ một lớp các hạt nano chống bám bụi [21]. 1.2. Nƣớc ngầm và sự ô nhiễm Nhu cầu của nước trong sinh hoạt và công nghiệp tồn tại song song với sự phát triển của con người, ở đâu có nước thì ở đó mới có sự sống. Thực tế lượng nước dự trữ trên trái đất thật là hiếm hoi mà nhu cầu sử dụng lại lớn. Để đáp ứng nhu cầu dùng nước con người không ngừng khai thác các nguồn nước và cách xử 21