Luận văn Thạc sĩ Vật lí: Nghiên cứu chế tạo vật liệu nanocomposite Fe3O4/AC định hướng xử lý môi trường

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:71

Thêm vào BST

Báo xấu

36
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bố cục của luận văn gồm phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, luận văn được chia làm 3 chương như sau: Chương 1 - Tổng quan; Chương 2 - Thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu; Chương 3 - Kết quả và thảo luận. Để hiểu rõ hơn mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết của luận văn này.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Vật lí: Nghiên cứu chế tạo vật liệu nanocomposite Fe3O4/AC định hướng xử lý môi trường

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC NGUYỄN THỊ THÙY NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANOCOMPOSITE Fe3O4/AC ĐỊNH HƢỚNG XỬ LÝ MÔI TRƢỜNG LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ THÁI NGUYÊN, 10/2019
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC NGUYỄN THỊ THÙY NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANOCOMPOSITE Fe3O4/AC ĐỊNH HƢỚNG XỬ LÝ MÔI TRƢỜNG Chuyên ngành: Quang học Mã số: 84 40 110 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN VĂN HẢO THÁI NGUYÊN, 10/2019
i LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất tới thầy giáo, TS. Nguyễn Văn Hảo, người đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo tận tình và giúp đỡ em trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn này. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tất cả các Thầy, Cô giáo Khoa Vật lý và Công nghệ, trường Đại học Khoa học thuộc Đại học Thái Nguyên, đã truyền đạt cho em nhiều kiến thức quý báu cũng như tạo điều kiện và giúp đỡ em trong việc học tập và hoàn thành luận văn này. Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới các Thầy, Cô và anh chị em bên Khoa Tài nguyên – Môi trường, Trường Đại học Khoa học đã giúp đỡ em trong quá trình thực nghiệm xử lý hấp phụ trong suốt quá trình hoàn thành luận văn này. Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ, động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi của Ban giám hiệu và anh chị em Tổ Vật lý - Công nghệ Công nghiệp, Trường THPT Lương Tài trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn này. Cuối cùng em xin cảm ơn toàn thể gia đình và bạn bè đã giúp đỡ và động viên em trong suốt quá trình học tập. Thái Nguyên, ngày 02 tháng 10 năm 2019 Học viên Nguyễn Thị Thùy
ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................i MỤC LỤC ................................................................................................................. ii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT........................................................................... v DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ............................................................................vii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, HÌNH VẼ ......................................................... viii MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN ..................................................................................... 4 1.1. Tổng quan về than hoạt tính ................................................................................ 4 1.1.1. Nguồn gốc và cấu trúc than hoạt tính ......................................................... 4 1.1.2. Thành phần hóa học của than .................................................................... 5 1.1.3 Phương pháp chế tạo than hoạt tính.............................................................5 1.1.3.1. Quá trình than hóa .......................................................................................6 1.1.3.2. Quá trình hoạt hóa .......................................................................................6 1.1.4. Ứng dụng than hoạt tính ............................................................................ 6 1.2. Tổng quan về vật liệu Fe3O4................................................................................. 7 1.2.1. Vật liệu Fe3O4 dạng khối ........................................................................... 7 1.2.1.1. Cấu trúc tinh thể ..........................................................................................7 1.2.1.2. Tính chất vật lý............................................................................................9 1.2.1.3. Tính chất nhiệt.............................................................................................9 1.2.1.4. Tính chất điện ..............................................................................................9 1.2.1.5. Tính chất từ ...............................................................................................10 1.2.2. Vật liệu Fe3O4 dạng hạt kích thước nano mét. ......................................... 11 1.2.2.1. Tính chất liên quan đến hiệu ứng bề mặt ..................................................11 1.2.2.2. Tính chất liên quan đến hiệu ứng kích thước ............................................13 1.3. Khái quát về tình hình nghiên cứu hạt nano từ Fe3O4 ........................................ 14 1.3.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới ........................................................... 14 1.3.2. Tình hình nghiên cứu trong nước ............................................................. 15 1.4. Chất màu hữu cơ và phương pháp xử lý ............................................................. 17
iii 1.4.1. Giới thiệu về ô nhiễm chất màu hữu cơ ................................................... 17 1.4.2. Thuốc nhuộm .......................................................................................... 18 1.4.3. Các phương pháp xử lý thuốc nhuộm hoạt tính trong nước thải dệt nhuộm 19 1.5. Giới thiệu về phương pháp hấp phụ ................................................................... 22 1.5.1. Khái niệm về sự hấp phụ ......................................................................... 22 1.5.1.1. Hấp phụ vật lý ...........................................................................................22 1.5.1.2. Hấp phụ hoá học........................................................................................22 1.5.2. Cân bằng hấp phụ .................................................................................... 23 1.5.3. Một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ ...................................... 24 CHƢƠNG 2. THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..... 25 2.1. Nguyên liệu và hóa chất ..................................................................................... 25 2.2. Tổng hợp vật liệu ............................................................................................... 25 2.2.1. Chế tạo than hoạt tính (AC) ..................................................................... 25 2.2.2. Chế tạo hạt nano Fe 3O4 ............................................................................ 25 2.2.3. Chế tạo composit Fe 3O4/AC .................................................................... 26 2.3. Phương pháp khảo sát cấu trúc và tính chất của vật liệu nano chế tạo được ............... 27 2.3.1 Quang phổ hấp thụ UV-Vis ...................................................................... 27 2.3.2. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) ......................................................... 28 2.3.3. Phương pháp phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) .................................. 30 2.3.4. Phương pháp chụp hiển vi điện tử quét (SEM) ........................................ 30 2.3.5. Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM) ....................................... 31 2.3.6. Phương pháp xác định diện tích bề mặt riêng của vật liệu ....................... 32 2.3.7. Phương pháp quang phổ hồng ngoại ........................................................ 33 2.3.8. Phương pháp phổ Raman ......................................................................... 33 2.4. Phương pháp nghiên cứu khả năng hấp phụ chất màu của vật liệu .................... 34 2.4.1. Ảnh hưởng của pH .................................................................................. 34 2.4.2. Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc ............................................................ 34 2.4.3. Ảnh hưởng của nồng độ chất màu ban đầu .............................................. 35 2.4.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ .......................................................................... 35 2.4.5 Xác định điểm điện tích không của vật liệu .............................................. 35
iv CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .......................................................... 37 3.1. Kết quả chế tạo than hoạt tính ............................................................................ 37 3.2. Kết quả chế tạo vật liệu nanocomposit và các đặc trưng .................................... 38 3.2.1. Phân tích cấu trúc vật liệu sử dụng phép đo nhiễu xạ tia X (XRD) .......... 38 3.2.2. Phân tích các liên kết của vật liệu sử dụng phép đo phổ hồng ngoại biến đổi Fourier và phổ tán xạ Raman ....................................................................... 39 3.2.3. Phân tích hình thái bề mặt của vật liệu bằng ảnh SEM và TEM ............... 42 3.2.3.1 Diện tích bề mặt riêng của vật liệu ............................................................42 3.2.3.2. Hình thái học bề mặt (SEM và TEM) của vật liệu ...................................43 3.3. Thử nghiệm ứng dụng Fe3O4/AC để xử lý chất màu Red 21 trong nước............ 45 3.3.1. Khảo sát ảnh hưởng của độ pH của chất màu Red 21 lên vật liệu hấp phụ . 45 3.3.2. Ảnh hưởng của tỉ lệ composit giữa Fe3O4 và AC lên độ hấp thụ Red 21 .... 48 3.3.3. Ảnh hưởng của thời gian lên độ hấp thụ Red 21 của vật liệu FO/AC ....... 50 3.3.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ lên sự hấp phụ ................................................... 52 3.3.5. Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch .......................................................... 53 KẾT LUẬN .............................................................................................................. 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................................... 56
v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Viết tắt Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt AC Activated carbon Than hoạt tính UV-Vis Ultraviolet–visible Phổ tử ngoại khả kiến spectroscopy XRD X-Ray diffraction Nhiễu xạ tia X EDX Energy-dispersive X-ray Phổ tán xạ năng lượng tia X spectroscopy SEM Scanning Electron Microscopy Kính hiển vi điện tử quét TEM Transmission Electron Kính hiển vi điện tử truyền qua Microscopy BET Brunauer-Emmett-Teller Hấp phụ và khử hấp phụ Nitơ FTIR Fourier transform infrared Phổ hồng ngoại chuyển dịch spectroscopy Fourier Red 21 Red BB sunzol Thuốc nhuộm hoạt tính màu đỏ FO/AC Fe3O4/activated carbon Composit giữa Fe3O4 và AC FO/AC (0) Fe3O4/AC (0) Tỉ lệ composit giữa ion Fe và AC với Fe = 0:1 FO/AC (1) Fe3O4/AC (1) Tỉ lệ composit giữa ion Fe và AC với Fe = 1:1 FO/AC (3) Fe3O4/AC (3) Tỉ lệ composit giữa ion Fe và AC với Fe = 3:1
vi FO/AC (6) Fe3O4/AC (6) Tỉ lệ composit giữa ion Fe và AC với Fe = 6:1 AC1 Activated carbon 1 Than hoạt tính được hoạt hóa ở 600 oC AC2 Activated carbon 2 Than hoạt tính được hoạt hóa ở 700 oC AC3 Activated carbon 3 Than hoạt tính được hoạt hóa ở 800 oC
vii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Ưu và nhược điểm của một số phương pháp xử lý các hợp chất hữu cơ có màu. Bảng 3.1. Kết quả chế tạo than hoạt tính AC
viii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, HÌNH VẼ Trang Hình 1.1. Hình ảnh than hoạt tính 4 Hình 1.2. Cấu trúc tinh thể của Fe3O4 8 Hình 1.3. Hình ảnh của vật liệu Fe3O4 ở kích thước lớn 9 Hình 1.4. Thang các dải độ dẫn điện. Vùng (I) – (IV) tương ứng 10 với chất cách điện, chất bán cách điện, chất bán dẫn và chất dẫn điện. Hình 1.5. Ảnh nhiễu xạ tia X của các hạt nano Fe3O4 11 Hình 1.6. Mô hình lõi vỏ của một hạt nano từ 12 Hình 1.7. Đường từ hóa của các hạt nano Fe3O4 kích thước 13 trung bình 5 nm (M5), 10 nm (M10), 50 nm (M50), 150 nm (M150) (hình nhỏ mô tả sự phụ thuộc của lực kháng từ vào kích thước hạt) Hình 1.8. Cấu trúc của một vài chất hoạt động bề mặt được sử 15 dụng trong tổng hợp hạt nano trong dung môi hữu cơ. Hình 1.9. Nước thải dệt nhuộm 17 Hình 1.10. Công thức cấu tạo của thuốc nhuộm hoạt tính Red 21 19 Hình 2.1. Quy trình tổng hợp hạt nano từ Fe3O4 26 Hình 2.2. Quy trình tổng hợp composit Fe3O4/AC 27 Hình 2.3. Phản xạ của tia X trên họ mặt mạng tinh thể 29 Hình 2.4. Sơ đồ khối của kính hiển vi điện tử quét 31 Hình 3.1. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu AC (a), các hạt sắt từ 38 Fe3O4 (b) và các mẫu vật liệu composit Fe3O4 /AC chế tạo bằng phương pháp đồng kết tủa (c) Hình 3.2. Phổ FTIR của các mẫu AC (a), Fe3O4 (b) và Fe3O4/AC (c) 40 Hình 3.3. Phổ Raman của mẫu AC (a), Fe3O4 (b) và composit 41
ix Fe3O4/AC Hình 3.4. Ảnh SEM (a) và EDX (b) của AC 43 Hình 3.5. Ảnh SEM (a) và EDX (b) của vật liệu nano Fe3O4 43 Hình 3.6. Ảnh SEM (a) và EDX (b) của vật liệu composit 44 Fe3O4/AC Hình 3.7. Ảnh TEM của các hạt nano Fe3O4 45 Hình 3.8. Ảnh hưởng của độ pH lên quá trình suất hấp phụ chất 47 màu Red 21 của các vật liệu hấp phụ. Hình 3.9. Điểm điện tích không của vật liệu hấp phụ 48 Hình 3.10. Ảnh hưởng của tỉ lệ composit giữa các ion Fe và AC 49 lên độ hấp phụ Red 21 Hình 3.11. Ảnh hưởng của thời gian lên độ hấp phụ Red 21 của 51 vật liệu FO/AC. Hình 3.12. (a) Hiệu suất hấp phụ và (b) Phổ UV-Vis của dung 51 dịch Red 21 ban đầu và sau hấp phụ ở các thời gian khác nhau của vật liệu FO/AC Hình 3.13. Ảnh hưởng của nhiệt độ lên độ hấp phụ Red 21 của 52 vật liệu FO/AC Hình 3.14. Ảnh hưởng của nồng độ ban đầu C0 của Red 21 lên độ 53 hấp phụ của FO/AC.
1 MỞ ĐẦU Ngày nay, với sự tiến bộ của khoa học và công nghệ, các ngành công nghiệp như công nghiệp sơn, dệt may, in, hoá dầu...phát triển rất mạnh mẽ, đã tác động tích cực đến sự phát triển kinh tế - xã hội. Tuy nhiên, bên cạnh những lợi ích mà nó mang lại thì những tác hại mà các ngành công nghiệp này gây ra với môi trường là rất đáng lo ngại [4, 5]. Nước thải công nghiệp của các cơ sở như dệt may, cao su, giấy, mỹ phẩm,… chủ yếu là các chất màu, thuốc nhuộm hoạt tính, các ion kim loại nặng, các chất hữu cơ,... Hàng năm có hàng trăm ngàn loại thuốc nhuộm thương mại được sản xuất với tỉ lệ rất cao, cỡ 70000 tấn/năm [6]. Red 21 là một chất màu hoạt tính dễ dàng hòa tan trong nước và được sử dụng trong nhuộm len, nylon, polyacrylonitrile, bông, lụa, da và giấy. Đây là tác nhân chính gây ô nhiễm các nguồn nước và ảnh hưởng đến sức khỏe của con người và các sinh vật sống ngay cả khi ở nồng độ thấp [7]. Nguy hiểm hơn nữa là thuốc nhuộm trong nước thải rất khó phân hủy vì chúng có độ bền cao với ánh sáng, nhiệt và các tác nhân gây oxi hoá. Do đó, việc tìm ra phương pháp nhằm loại bỏ các hợp chất màu hữu cơ, thuốc nhuộm hoạt tính độc hại ra khỏi môi trường nước có ý nghĩa hết sức to lớn. Trong những năm gần đây đã có nhiều công trình nghiên cứu và sử dụng các phương pháp khác nhau nhằm xử lý các hợp chất màu hữu cơ độc hại trong nước thải như phương pháp cơ học, phương pháp sinh học, phương pháp hóa lý,... [8]. Tuy nhiên, việc tìm ra phương pháp loại bỏ thuốc nhuộm một cách đơn giản, kinh tế vẫn là một vấn đề quan trọng đối với các nhà nghiên cứu. Hấp phụ là một kỹ thuật tách rất hiệu quả về chi phí ban đầu, thiết kế đơn giản và dễ vận hành.
2 Than hoạt tính AC (activated carbon) là chất hấp phụ hiệu quả nhất được sử dụng để loại bỏ thuốc nhuộm. Tuy nhiên, than hoạt tính thương mại vẫn còn đắt [9]. Ngoài ra, việc khó thu hồi của nó đã làm hạn chế trong các ứng dụng xử lý nước thải. Do đó, việc tạo than hoạt tính bằng các phụ phẩm nông nghiệp cũng là một cách mang lại hiệu quả, giảm chi phí và được các nhà nghiên cứu quan tâm để thay thế than hoạt tính thương mại [10]. Để tiếp tục cải thiện hiệu quả của nó, nghiên cứu về việc biến tính và tái sử dụng AC đã được thực hiện. Trong thời gian gần đây, việc biến tính AC bằng vật liệu nano, đã nổi lên như một sự thay thế đầy hứa hẹn. Chất hấp phụ nano có thể được sử dụng để xử lý nước thải do các tính chất đặc biệt của chúng như diện tích bề mặt cao hơn, chi phí sản xuất thấp hơn, hiệu quả cao hơn và tính chất từ tính...[11, 12]. Trong các vật liệu nano, Fe3O4 vật liệu nano từ tính đã thu hút sự chú ý đáng kể vì là vật liệu hấp phụ cho cả thuốc nhuộm hữu cơ và kim loại nặng, do tính chất từ tính độc đáo của chúng, chi phí thấp, tương thích sinh học, dễ tổng hợp, dễ tái chế, đặc biệt là kinh tế và thân thiện với môi trường, chúng và vật liệu tổ hợp của nó có thể dễ dàng tách ra khỏi dung dịch sau khi phản ứng hấp phụ hoàn thành [13 - 15]… Dựa trên những phân tích trên mà chúng tôi đã lựa chọn đề tài luận văn “Nghiên cứu chế tạo vật liệu nanocomposite Fe3O4/AC định hướng ứng dụng xử lý môi trường”. Mục tiêu của đề tài: - Chế tạo thành công vật liệu Fe3O4 và nanocomposite Fe3O4/AC bằng phương pháp đồng kết tủa. - Nghiên cứu một số tính chất cấu trúc, hình thái và tính chất quang của vật liệu chế tạo được và khả năng xử lý chất màu hữu cơ Red 21 của vật liệu.
3 Nội dung của luận văn bao gồm: - Tổng quan về than hoạt tính và vật liệu Fe3O4, chất màu hữu cơ và phương pháp xử lý. - Chế tạo vật liệu than hoạt tính từ vỏ bưởi, nano Fe3O4 và vật liệu tổ hợp của chúng. - Nghiên cứu một số tính chất cấu trúc, hình thái và tính chất quang của vật liệu chế tạo được. - Nghiên cứu xử lý chất màu hoạt tính Red 21 bằng vật liệu chế tạo được dựa trên phương pháp hấp phụ. Bố cục của luận văn ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo được chia làm 3 chương như sau: Chương 1: Tổng quan Chương 2: Thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu Chương 3: Kết quả và thảo luận
4 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về than hoạt tính (Activated carbon – AC) 1.1.1. Nguồn gốc và cấu trúc than hoạt tính Than hoạt tính là một dạng carbon đã được xử lý để mang lại một cấu trúc xốp hơn, do đó có diện tích bề mặt lớn làm khả năng hấp phụ rất tốt. Than hoạt tính có thể được sản xuất từ bất kỳ loại sinh khối nào, từ đủ loại chất hữu cơ thải ra trong quá trình trồng trọt và chế biến nông sản như vỏ bưởi, vỏ trấu, vỏ cà phê, vỏ dừa, vỏ đậu phộng, bã mía, vỏ hạt điều, lá cao su; rác thải hữu cơ đô thị; và các loại rác hữu cơ khác. Hình 1.1. Hình ảnh than hoạt tính Than hoạt tính ở dạng than gỗ đã được hoạt hóa đã được sử dụng từ nhiều thế kỉ trước. Người Ai Cập sử dụng than gỗ từ khoảng năm 1500 TCN để làm chất hấp phụ chữa bệnh. Người Hin du cổ ở Ấn Độ đã biết làm sạch nước uống bằng cách lọc qua than gỗ. Việc sản xuất than hoạt tính trong công nghiệp bắt đầu từ khoảng những năm 1900, được sử dụng để làm vật liệu tinh chế đường
5 bằng cách than hóa hỗn hợp các nguyên liệu có nguồn gốc từ thực vật bằng hơi nước hoặc CO2. Ở nước ta than hoạt tính bắt đầu được nghiên cứu từ những năm 60 của thế kỷ 20. Nghiên cứu đầu tiên là ở Viện Hoá học Công nghiệp với than hoạt tính từ antraxit, gáo dừa, bã mía, tiếp đó là các nghiên cứu của Viện Hoá học Công nghiệp và Trung tâm Nghiên cứu Than hoạt tính, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Hiện nay than hoạt tính đã được sử dụng rộng rãi trong hầu khắp mọi lĩnh vực khoa học, quân sự và đời sống. Tùy theo mục đích sử dụng, hiện có một số loại than hoạt tính như sau: Than lọc khí - hơi, than tẩy màu, than lọc nước, than trao đổi ion,... ở dạng hạt dập, hạt ép hoặc dạng bột. 1.1.2. Thành phần hóa học của than Than hoạt tính có thành phần chủ yếu là cacbon, chiếm từ 85 đến 95% khối lượng. Phần còn lại là các nguyên tố khác như hydro, nitơ, lưu huỳnh, oxi,... có sẵn trong nguyên liệu ban đầu hoặc mới liên kết với cacbon trong quá trình hoạt hóa. Tuy nhiên hàm lượng oxi trong than hoạt tính có thể thay đổi từ 1 – 20 % phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu ban đầu và cách điều chế. Than hoạt tính thường có diện tích bề mặt nằm trong khoảng 800 đến 1500 m2/g và thể tích lỗ xốp từ 0,2 đến 0,6 cm3/g. Diện tích bề mặt than hoạt tính chủ yếu là do lỗ nhỏ có bán kính nhỏ hơn 2 nm tạo thành. 1.1.3. Phƣơng pháp chế tạo than hoạt tính Than hoạt tính chủ yếu được sản xuất bằng cách nhiệt phân nguyên liệu thô có chứa cacbon ở nhiệt độ dưới 1000°C. Quy trình điều chế than hoạt tính được chia làm hai giai đoạn: than hóa và hoạt hóa.
6 1.1.3.1. Quá trình than hóa Quá trình than hóa được thực hiện ở nhiệt độ dưới 800°C trong môi trường yếm khí hoặc khí trơ. Ở quá trình này nguyên liệu được phân hủy nhờ nhiệt để đưa về dạng cacbon đồng thời làm bay hơi một số hợp chất hữu cơ nhẹ tạo lỗ xốp ban đầu cho than. Chính lỗ xốp này là đối tượng cho quá trình hoạt hoá than. Quá trình than hóa nguyên liệu được thực hiện bằng cách tăng nhiệt dần lên. Ban đầu nguyên liệu được sấy khô đều ở nhiệt độ dưới 170 o C, từ 170 ÷ 280°C nguyên liệu bị phân hủy theo những quá trình thu nhiệt, ở đây các hợp phần của nguyên liệu bị biến tính, giải phóng oxit cacbon, khí cacbonic, axit axetic,...Tiếp theo, từ 280 ÷ 380oC xảy ra sự phân hủy phát nhiệt giải phóng metanol, hắc ín,… Quá trình than hóa xem như kết thúc ở khoảng 400 ÷ 600°C. 1.1.3.2. Quá trình hoạt hóa Sản phẩm của quá trình than hóa được mang đi hoạt hóa, mục đích của quá trình hoạt hóa là giải phóng độ xốp sơ cấp đã có sẵn trong than, đồng thời tạo thêm độ xốp thứ cấp làm than có hoạt tính cao. Quá trình hoạt hóa được thực hiện ở nhiệt độ trên 800oC dùng tác nhân hơi nước trong môi trường không có oxi. 1.1.4. Ứng dụng than hoạt tính Ngoài khả năng hấp phụ tốt thì than hoạt tính còn có các ưu điểm như: không độc hại, giá thành rẻ và sản xuất dễ dàng. Vì vậy, than hoạt tính được sử dụng rộng rãi trong cuộc sống và cho nhiều ứng dụng. - Ứng dụng trong công nghiệp: một ứng dụng công nghiệp chính là xử lý kim loại cuối. Nó được sử dụng rộng rãi trong tinh chế dung dịch mạ điện. Ví dụ, nó là kỹ thuật tinh chế chính trong việc loại bỏ những tạp chất hữu cơ từ dung dịch mạ. Nhiều chất hữu cơ được thêm vào dung dịch mạ để cải thiện tính bám dính và tăng tính chất như độ sáng, nhẵn, tính uốn... Sự truyền dòng điện trực tiếp và phản ứng điện hóa của oxi hóa anot và khử catot, những phụ gia hữu
7 cơ sinh ra những sản phẩm phân hủy không mong muốn trong dung dịch. Sự sinh ra quá nhiều của chúng có thể có hại cho chất lượng mạ và tính chất vật lý của kim loại. Sự xử lý bằng than hoạt tính loại bỏ những tạp chất như vậy và trả lại hiệu suất mạ về mức độ mong muốn. - Ứng dụng trong y tế: than hoạt tính được sử dụng để xử lý chất độc và được dùng qua đường miệng. Những viên hoặc nang than hoạt tính được sử dụng ở nhiều nước như một thuốc không cần kê toa bác sĩ để xử lý bệnh tiêu chảy, chứng khó tiêu và đầy hơi. Tuy nhiên, nó không hiệu quả cho nhiều sự ngộ độc của axít hoặc kiềm mạnh, xianua, sắt, liti, arsen, methanol, ethanol hay ethylene glycol. - Ứng dụng hóa phân tích: than hoạt tính, hỗn hợp 50/50 khối lượng diatomit và than hoạt tính được sử dụng như pha tĩnh trong sắc khí áp suất thấp cho carbohydrate sử dụng dung dịch rượu (5 - 50 %) như pha động trong chuẩn bị và phân tích. - Ứng dụng môi trường: Sự hấp phụ cacbon có nhiều ứng dụng trong loại bỏ chất gây ô nhiễm từ không khí hay nước như: Làm sạch dầu tràn, lọc nước ngầm, lọc nước uống, làm sạch không khí, giữ tạp chất hữu cơ không bay hơi từ màu vẽ, lọc khô, bay hơi xăng và những quá trình khác. 1.2. Tổng quan về vật liệu Fe3O4 1.2.1. Vật liệu Fe3O4 dạng khối 1.2.1.1. Cấu trúc tinh thể Ở nhiệt độ phòng các tinh thể khối magnetit Fe3O4 (FeO.Fe2O3) có cấu trúc spinen đảo, trong đó các nguyên tử oxi tạo thành mạng tinh thể lập phương tâm mặt xếp chặt với các nguyên tử sắt, chiếm các vị trí nút ngoài. Công thức phân tử: FeO. Fe2O3 = Fe. Fe2O4 Mô hình ion: [Fe3+]A[ Fe3+Fe2+]B O42-
8 Các ion O2- hình thành nên mạng lập phương tâm mặt với hằng số mạng a = 8,398 A0. Các ion Fe3+, Fe2+ có bán kính ion nhỏ hơn sẽ phân bố trong khoảng trống giữa các ion O2-. Các ion kim loại Fe2+ và Fe3+ sẽ nằm ở các lỗ hổng này và tạo nên hai dạng cấu trúc spinel của nhóm vật liệu ferít. Trong dạng thứ nhất, toàn bộ các ion Fe2+ nằm ở các vị trí A còn toàn bộ các ion Fe3+ nằm ở các vị trí B. Cấu trúc này đảm bảo hoá trị của các nguyên tử kim loại vì số ion oxy bao quanh các ion Fe3+ và Fe2+ có tỷ số 3/2 nên nó được gọi là cấu trúc spinel thuận. Dạng thứ hai thường gặp hơn được gọi là cấu trúc spinel đảo [16]. Trong cấu trúc spinel đảo một nửa số ion Fe3+ cùng toàn bộ số ion Fe2+ nằm ở các vị trí B, một nửa số ion Fe3+ còn lại nằm ở các vị trí A. Oxít sắt từ Fe3O4  FeO.Fe2O3 là một ferít có cấu trúc spinel đảo điển hình. Fe ở vị trí tứ diện (A) Fe ở vị trí bát diện (B) Hình 1.2. Cấu trúc tinh thể của Fe3O4 [16] Chính cấu trúc spinel đảo này đã quyết định tính chất từ của Fe3O4, đó là tính chất feri từ. Mô men từ của các ion kim loại trong hai phân mạng A và B phân bố phản song song điều này được giải thích nhờ sự phụ thuộc góc của tương tác siêu trao đổi: AÔB = 125°9΄, AÔA = 79°38΄, BÔB = 90° do đó tương tác phản sắt từ giữa A và B là mạnh nhất. Trong Fe3O4 bởi vì ion Fe3+ có mặt ở cả hai phân mạng với số lượng như nhau nên mô men từ chỉ do Fe2+ quyết định.
9 1.2.1.2. Tính chất vật lý Các tinh thể magnetite (Fe3O4) ở kích thước micro trong tự nhiên và tổng hợp thể hiện tính ánh kim và màu đen mờ (Hình 1.3). Mật độ của Fe3O4 là 5,18 g/cm3, nhẹ hơn một chút so với hematit màu nâu đỏ (α-Fe2O3; 5,26 g/cm3) và nặng hơn so với ferrihydrite màu vàng cam (α-FeOOH; 4,26 g/cm3); sắt nguyên chất (α-Fe) có mật độ 7,87 g/cm3. Ở nhiệt độ môi trường, các hạt từ tính thể hiện độ cứng 5,5, giống hệt với thủy tinh [17]. Hình 1.3. Hình ảnh của vật liệu Fe3O4 ở kích thước lớn Diện tích bề mặt hiệu dụng của Fe3O4 thay đổi theo phương pháp tổng hợp, tuy nhiên các hạt ở kích thước micro điển hình với đường kính gần 0,2 m có diện tích bề mặt khoảng 6 m2/g . Các hạt Fe3O4 không xốp [17]. 1.2.1.3. Tính chất nhiệt Điểm nóng chảy/sôi của oxit sắt từ được quan sát thấy tương ứng ở 1590 và 2623°C. Nhiệt lượng của nhiệt hạch, phân hủy và hóa hơi tương ứng là 138,16; 605,0 và 298,0 kJ/mol (ở 2623°C). 1.2.1.4. Tính chất điện Như đã đề cập trước đó, các vị trí bát diện trong cấu trúc Fe3O4 có chứa các ion sắt Fe2+ và Fe3+. Các electron phối hợp với các ion sắt này được định vị bằng nhiệt và di chuyển trong cấu trúc Fe3O4 gây ra sự trao đổi độ dẫn cao: từ -