SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO HÀ NỘI
TRƯỜNG THCS & THPT NGUYỄN TẤT THÀNH - CẦU GIẤY
**************
ĐỀ TÀI DỰ THI KHOA HỌC, KỸ THUẬT
DÀNH CHO HỌC SINH TRUNG HỌC CẤP THÀNH PHỐ
LẦN THỨ TƯ (NĂM HỌC 2014 - 2015).
Tên đề tài: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU THU GOM XỬ LÍ DẦU
TRÀN CÓ CHỨA HẠT NANO SẮT TỪ
Lĩnh vực: Quản lí môi trường
NGƯỜI HƯỚNG DẪN
- TS.Nguyễn Tiến Dũng
- Đơn vị công tác: Khoa Hóa học, trường Đại
học Sư phạm Hà Nội
TÁC GIẢ:
1. Đinh Tiến Dũng, Lớp: 11A2, Trường: THCS
& THPT Nguyễn Tất Thành
2. Hoàng Minh Quang, Lớp:11A2, Trường: THCS
& THPT Nguyễn Tất Thành
Hà Nội, tháng 11 năm 2014
1
MỤC LỤC
Trang
Phần I: Lí do chọn đề tài 3
Phần II: Tổng quan vấn đề nghiên cứu 4
Phần III: Quá trình nghiên cứu và kết quả 5
Phần IV: Kết luận 19
Tài liệu tham khảo 20
2
Phần I: Lí do chọn đề tài
Ô nhiễm các sự cố tràn dầu thực sự là một thảm họa đối với sinh vật thủy sinh,
việc xử lý ô nhiễm tràn dầu cũng vì thế mà được nhiều nhà khoa học trong nước

trong việc hấp thu và khó tái sử dụng sau khi hấp thu và thường không giải
hấp được.
- Nhóm nghiên cứu của chúng tôi dựa trên cơ sở polystyren là vật liệu ưa dầu
dạng hạt dẻo, chúng tôi đã tiến hành thực nghiệm trùng hợp huyền phù
styren và divinylbenzen để tạo co-polyme, vật liệu thu được có khả năng hấp
thu dầu tốt, chúng hấp thu được khoảng 5-6g dầu nặng DO trên mỗi gam vật
liệu. Để có thể thu hồi chúng được dễ dàng chúng tôi phân tán hạt oxit sắt
trong hỗn hợp 2 monome rồi tiến hành trùng hợp. Vật liệu thu được có khả
năng hút dầu rất tốt đồng thời có thể sử dụng nam châm để hút lại được. Sau
khi thu hồi, với xăng hoặc dầu nhẹ có thể sử dụng nhiệt để cất tách xăng dầu
ra khỏi vật liệu để tái sử dụng, tuy nhiên với dầu nặng thì không tách được
do nhiệt phân hủy của vật liệu không cao hơn nhiều so với nhiệt độ sôi của
dầu nặng.
- Những điểm mới trong nghiên cứu này:
+ Sử dụng hệ polyme styrene và divinylbenzen để hấp thu dầu, đây là
nghiên cứu mới chưa có nhóm nghiên cứu nào trong nước thực hiện.
+ Đưa hạt ôxit sắt vào trong vật liệu để thu hồi, có những nghiên cứu
tương tự nhưng họ dung trực tiếp vật liệu từ để tách dầu chứ không dung
với mục đích thu hồi vật liệu như nhóm nghiên cứu của chúng tôi.
4
Phần III: Quá trình nghiên cứu và kết quả
Cơ sở lý thuyết:
Quá trình trùng hợp tạo polyme dựa trên các phản ứng trùng hợp diễn ra
như sau:
- Tạo gốc tự do: Dưới tác dụng của nhiệt độ, benzoyl peoxit phân huỷ
thành gốc cacboxy benzoyl:
C
O
O O
O

O
O
(3)
.
2
(4)
C
O
OO
O
C
+
.
C
O
O
.
C
O
O
+
(5)
Ký hiệu các gốc tồn tại trong quá trình phản ứng là:
.
C
O
O
R
.
,

.
+
r
y
y
2
2
(8)
- Phản ứng phát triển mạch:
+
ch = ch
x
2
k
11
ch - c h
.
x
2
ch - ch -
x
2 2
X
ch - c h
.
(9)
Quá trình phản ứng đồng trùng hợp hai monome xảy ra rất phức tạp,
nhưng bất kể đặc tính xảy ra như thế nào thì phản ứng phát triển mạch cũng xảy
ra theo hướng sau:
ch - c h

ch - c h
.
(11)
ch - c h
.
Y
2
+
ch = c h
x
2
21
k
ch - ch -
Y
2 2
X
ch - c h
.
(12)
- Phản ứng đứt mạch:
ch - ch -
x
2 2
x
ch - c h
.
+
ch - ch -
x

ch - c h -
ch - ch -
x
2 2
x
ch - ch
(14)
ch - ch -
y
2 2
y
ch - c h
.
+
ch - ch -
y
2 2
y
ch - c h
.
ch - ch -
y
2 2
y
ch - c h
2
(15)
ch - ch -
y
2 2

y
2 2
y
ch - ch
2
+ ch - ch -
y
2
y
ch = ch
(17)
ch - ch -
x
2 2
x
ch - c h
.
2 ch - ch -
x
2 2
x
ch - ch
2
+ ch - ch -
x
2
x
ch = ch
(18)
ch - ch -

- Phương pháp oxi hoá Fe
2+
Nguyên tắc của phương pháp là thuỷ phân muối Fe
2+
ví dụ như muối
FeSO
4
.7H
2
O hay

FeCl
2
.4H
2
O bằng cách thêm một bazơ ví dụ như NH
4
OH hay
NaOH trong không khí và ở những điều kiện t
0
, pH phù hợp. Lọc và sấy khô
trong không khí ở t
0
phòng hạt sắt từ.
Nồng độ chất đầu và tốc độ kết tủa là 2 nhân tố quan trọng quyết định kích
thước hạt. Nồng độ đầu và tốc độ kết tủa càng nhỏ thì kích thước hạt càng nhỏ.
Động học của phản ứng oxi hóa Fe
2+
chậm và khó điều khiển, thường
người ta nên tránh sử dụng phương pháp này.

S
28
32
34
37
0.25
0.05
0.60
3.00
6.4
10.8
37.8
91.4
592.7
587.7
586.5
586.4
1.1
2.6
2.3
2.0
Kết quả: - Các hạt tạo được đều có dạng hình cầu
- Mẫu 28 và 32 là đơn pha
- Mẫu 34 và 37 đều lẫn γ.Fe
2
O
3
lần lượt là 12% và 7 %
Khi nồng độ chất đầu giảm thì kích thước hạt giảm, đồng thời độ tinh
khiết của sản phẩm tăng. Hiệu ứng kích thước hạt dẫn đến thể tích tế bào đơn vị

n
]
z+
→ [M(OH)
p
(H
2
O)
n-p
]
(z-p)+
+ pH
+
- Cơ chế của sự thuỷ phân:
( ) ( )
[ ]
+
+−
−
+
−
+→






←
OHMOHOH

n
3
)2(
1
2
)1(
1
2
( )
[ ]
( )
( ) ( )
OHOHMOMOH
OHMO
H
H
MOHOH
z
n
H
n
z
n
z
n
2
)12(
1
2
|

Phức oxo
Có thể ngưng tụ thành phức đa nhân → keo hoá
Nhờ quá trình ngưng tụ mà mônome → đime → trime → polime. Sau
đó phát triển thành hạt keo → gel → hạt.
Đặc điểm của phương pháp là khống chế nghiêm ngặt điều kiện của quá
trình thuỷ phân: về nhiệt độ, áp suất, môi trường phản ứng.
Phương pháp này đã đươc dùng để tổng hợp nên các oxit phức hợp như
YOHCO
3
, CoFe
2
O
4

Phương pháp đồng kết tủa:
Phương pháp thực chất là tạo ra những oxit phức hợp thông qua các dạng
kết trung gian. Yêu cầu quan trọng trước hết của phương pháp này là hoá chất
phải thật tinh khiết. Phản ứng tiến hành trong môi trường khí quyển trơ, các dung
dịch chuẩn bị cho phản ứng đều phải được loại O
2
cẩn thận. ưu điểm của phương
pháp là không sử dụng hệ tác nhân bề mặt:
Khi sol nước của hạt không chứa tác nhân bề mặt thì người ta có thể sử
dụng trực tiếp, ví dụ như chèn trực tiếp vào những lớp phim polyme siêu mỏng
trong ứng dụng vật liệu quang từ.
Qui trình phản ứng như sau [12]:
9
Chú thích:
1 – Van N
2

C. Tác giả đã
nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ lệ về số mol Fe
2+
/Fe
3+
đến kích thước hạt:
 Mẫu 1: Fe
2+
/Fe
3+
= 0,5
 Mẫu 2: Fe
2+
/Fe
3+
= 1
Và đã thu được kết quả như sau:
Mẫu 1: hình cầu, phân bố kích thước hẹp; d = 5,9 nm
Mẫu 2: dạng hạt gần giống hình lập phương; d =12,8 nm
Kích thước hạt ở mẫu 2 lớn hơn mẫu 1, do trong mẫu 2 có sự oxi hoá
chậm lượng dư Fe (II) Fe(III):
Fe
2+
+ 2 OH
-
 Fe(OH)
2
Fe(OH)
2
> Fe

> 0,5. Tuy nhiên nếu hoá chất tinh khiết đến 99.9 %
10
Hình: Mô hình phản ứng theo
phương pháp đồng kết tủa
O
2
và các biện pháp ngăn ngừa sự oxi hóa được tiến hành một cách nghiêm ngặt
thì nên lấy đúng tỉ lệ hợp thức nhằm mục đích tạo ra hạt sắt từ đơn pha.
+ Bazơ: Do khả năng phân cực cao của những cation kim loại kiềm hoặc
dung dịch NH
3
, do năng lượng bề mặt cao của các hạt nano sắt từ nên các hạt
thường bị kết tụ. Để ngăn ngừa hiện tượng này, người ta đã tiến hành rất nhiều
các phương pháp khác nhau. Một trong những phương pháp đó là sử dụng
TAMOH (tetrametyl amoni hidroxi) thay cho NaOH, NH
4
OH, vì cation
N(CH
3
)
4
+
có khả năng phân cực hoá thấp.
+ Nồng độ: Nồng độ tác nhân phản ứng nên
≤
0,1M. Nếu nồng độ quá
đặc, hạn chế sự tham gia của H
2
O vào trong quá trình phản ứng do đó làm tăng
khả năng kết tụ.

Trong đó AOT là Natri bis (2-etyl hexyl sunfo sucxinat) đóng vai trò làm
tác nhân bề mặt.
b. Hệ gồm H
2
O/ C
2
H
5
OH/ DBS/ toluen
Pha hữu cơ là toluen, tác nhân bề mặt là dodexyl benzen sunfonat
C
12
H
25
C
6
H
6
(SO
3
Na), C
2
H
5
OH là tác nhân phụ có vai trò tương tự như một chất
hoạt động bề mặt. C
2
H
5
OH tan vô hạn trong nước, nhóm etyl không phân cực

- Divinylbenzene (p-C
6
H
4
(HC=CH
2
)
2
) (DVB - Merck), d
4
20
= 0,9162
g/ml, M=130,19 g/mol.
- Benzoyl peroxit (BPO - Trung Quốc)
- FeCl
2
.4H
2
O, FeCl
3
.6H
2
O (Trung Quốc)
- Dung dịch NH
3
, NaOH, Gelatin (Trung Quốc)
- Metanol (Trung quốc)
- Etanol (Việt Nam)
- Nước cất
- Dầu Diezel (Petrolimex), tỷ trọng ở 15

hữu cơ
Tổng hợp hạt ôxit sắt:
Tiến hành pha dung dịch hỗn hợp muối FeCl
3
và FeCl
2
trong nước cất với
các nồng độ C
M
FeCl3
= 0,24M, và C
M
FeCl2
= 0.12M, rồi rót vào bình phản ứng
được đặt trong hệ điều nhiệt ở nhiệt độ 50
o
C. Dung dịch NaOH 0,05M rót
vào phễu nhỏ giọt. Trước và trong quá trình phản ứng các dung dịch đều
được sục khí N
2
để ngăn ngừa sự oxi hoá của các ion Fe
2+
, sử dụng máy
khuấy với tốc độ cao với tốc độ nhỏ giọt 2-3 giây/giọt . Hỗn hợp phản ứng
chuyển thành màu đen ngay sau khi nhỏ giọt, pH của phản ứng ổn định từ
10,4 -10,5, tiến hành phản ứng trong 120 phút.
Phản ứng thủy phân:
Fe
2+
+ 2Fe

Do năng lượng bề mặt cao nên các hạt sắt từ thường bị kết tụ. Điều kiện
ứng dụng đòi hỏi không có sự kết tụ mà phải phân tán được. Muốn vậy lực
tương tác so chuyển động nhiệt, do tương tác đẩy phải mạnh hơn lực hút giữa
các hạt.
Những hạt nano Fe
3
O
4
có kích thước rất nhỏ, thể hiện tính siêu thuận từ ở
nhiệt độ thường (nhiệt độ Curie nhỏ hơn nhiệt độ thường), có nhiều ứng dụng
rất quan trọng trong lĩnh vực y học. Điều kiện ứng dụng là các hạt phải có kích
thước nhỏ hơn 50nm, có sự phân bố kích thước hẹp và bề mặt được bảo vệ bởi
chất có khả năng tương hợp sinh học cao. Với lớp áo khoác bên ngoài ngăn cản
sự kết tụ, đồng thời làm tăng khả năng tương hợp sinh học, vật liệu siêu thuận
từ được sử dụng để làm chất dẫn thuốc, sử dụng trong lĩnh vực ghi hình ảnh
cộng hưởng từ
Một số phương pháp ổn định, bảo vệ hạt ôxit sắt từ
* Khi kích thước hạt nhỏ đến một giới hạn nhất định, hạt thể hiện tính
13
siêu thuận từ, hạt siêu thuận từ có rất nhiều ứng dụng nên các nhà khoa học chủ
yếu tập trung nghiên cứu phương pháp bảo vệ hạt nano siêu thuận từ. Sau đây là
một số phương pháp bảo vệ hạt nano siêu thuận từ SPION (super paramagnetic
iron oxide nanoparticles).
Phương pháp 1:
Sử dụng dung dịch natrioleat để có thể tạo ra được huyền phù bền, với
nồng độ 2.10
-4
thì vừa vặn tạo ra một lớp đơn hấp phụ trên bề mặt hạt sắt từ.
Hệ gồm SPION và dung dịch natrioleat được phân tán trong bể siêu âm
với cường độ mạnh trong 5’, t

3+
được rót vào dung
dịch TB đã điều chế. Dùng máy khuấy cơ học tốc độ cỡ 2000 vòng/phút, khuấy
mạnh trong 20 phút để đồng nhất hỗn hợp. Sau đó 25 ml hỗn hợp này được thêm
nhỏ giọt vào 250 ml NaOH 0,1M dưới tác dụng của một máy khuấy cơ học
mạnh ở 60
0
C trong 2h. Sau khi H
2
0 bay hơi 50 % về khối lượng, dung dịch còn
lại được làm lạnh đến nhiệt độ phòng và để yên trong 12 h gel.
Phương pháp biến tính hạt oxit sắt bằng axit oleic:
- Để ngăn ngừa hiện tượng kết tụ ta sử dụng chất hoạt động bề mặt là
14
Hình 1.9. Axit cacboxylic hấp phụ hoá học trên bề mặt hạt sắt từ
amôni oleat để tạo ra lưu thể bền của hạt sắt từ.
Tiến hành: điều chế dung dịch amoni oleat bằng cách cho axit oleic phản
ứng với dung dịch NH
3
, cho từ từ 25ml dung dịch NH
3
đậm đặc vào 100ml axit
oleic, khuấy đều hỗn hợp cho đến khi tan vào nhau hoàn toàn, lấy dung dịch thu
được để tiến hành hoạt hóa bề mặt hạt oxit sắt.
Đưa hạt sắt từ vào hệ thu được ở trên, khuấy mạnh trong 4h ở 50
0
C. Lưu
thể được tạo thành rất bền, để 30 ngày không lắng.
Thành phần của hệ:
Hạt oxit sắt : 2%

Khả năng hấp thụ dầu (mức độ hấp thụ dầu) là thụng số quan trọng nhất
đối với việc chế tạo polyme hấp thụ dầu. Để xác định được mức độ hấp thụ dầu
lấy mẫu sau khi phản ứng kết, tất cả cỏc mẫu thử khả năng hấp thụ dầu đều
được sấy khụ trong chân không trong 2 ngày.
Hệ số hấp thụ dầu (W) được xác định bằng phương pháp trọng lượng.
Cân một lượng xác định (khoảng 2 g) chất hấp thụ đó được sấy khi cho vào túi
chè và ngâm vào trong dầu ở nhiệt độ phòng. Làm túi đối chứng tương tự nhưng
không cho vật liệu hấp thụ dầu để xác định được sự tăng khối lượng của túi có
chất hấp thụ dầu. Sau một khoảng thời gian nhất định lấy túi mẫu ra khỏi dầu và
để ráo hết dầu trong 1 phút cân chính xác khối lượng túi mẫu. Tiến hành cân
cho đến khi khối lượng túi chứa vật liệu hấp thụ dầu không tăng lên nữa thì
dừng lại.
Để xác định khả năng hấp thụ dầu (lượng dầu hấp thụ đó bão hòa) thông
thường cho hấp thụ khoảng trên 4 giờ, có thể ngâm tới 24 giờ tuy nhiên chú ý
khả năng bay hơi của dầu kết quả sẽ không còn chính xác. Xác định trọng lượng
mẫu thu được. Hệ số hấp thụ dầu được tính theo công thức:
%100
1
12
x
m
mm
W
−
=
Trong đó: m
2
và m
1
là khối lượng chất trước và sau khi hấp thụ dầu.

Vật liệu hấp thụ dầu được chúng tôi nghiên cứu đã được thử nghiệm khả năng
hấp thụ dầu và khả năng thu gom sau khi hấp thụ dầu trong phòng thí nghiệm.
Với vật liệu là Poly Styren-Divinyl Benzen - có phân tán 4% hạt nano Fe
3
O
4
, dầu
được đem xử lý là dầu DO, sử dụng nam châm vĩnh cửu để thu gom dầu trong
nước muối loãng 3% (gần giống với hàm lượng muối trong nước biển). Kết quả
thu được thể hiện trên các ảnh chụp.
Vật liệu hấp thu dầu Dầu DO khi cho vật
liệu hấp thu xử lý dầu
Sau khi cho vật liệu
hấp thụ dầu 15 phút
Dùng thanh nam
châm để gom vật liệu
Vật liệu sau khi bám
trên thanh nam châm
Cốc nước – dầu sau
khi xử lý hấp thụ dầu
Các nội dung sẽ nghiên cứu trong thời gian tới:
- Tiếp tục hoàn thiện quy trình chế tạo hạt ôxit sắt, sử dụng them các phương
pháp vi nhũ và phương pháp thủy phân cưỡng chế để tạo hạt ôxit sắt trong
phòng thí nghiệm. So sánh các phương pháp này với nhau để tìm phương
pháp dễ dàng nhất và hiệu quả nhất để tổng hợp hạt ôxit sắt.
- Nghiên cứu biến tính ôxit sắt bằng các tác nhân khác như tinh bột, để có kết
quả so sánh với nhau tìm phương pháp biến tính tối ưu.
17
- Nghiên cứu chế tạo các hệ polyme khác tương tự để xem xét khả năng hấp
thu dầu của vật liệu chẳng hạn hệ polyme của styrene với axit oleic. Từ các

liệu nguồn, NXB Khoa học tự nhiên và Công nghệ Hà Nội.
4. Đinh Thị Ngọ (2004), Hoá học dầu mỏ và khí. NXB Khoa học và Kỹ thuật.
5. Thái Doãn Tĩnh (2005), Hoá học các hợp chất cao phân tử, NXB Khoa học
và Kỹ thuật.
20