BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO HÀ NỘI
TRƯỜNG THCS & THPT NGUYỄN TẤT THÀNH
_______________________

ĐỀ TÀI DỰ THI KHOA HỌC, KỸ THUẬT CẤP QUỐC GIA
DÀNH CHO HỌC SINH TRUNG HỌC
NĂM HỌC 2014 - 2015

Tên đề tài:
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU THU GOM XỬ LÝ DẦU TRÀN
CÓ CHỨA HẠT NANO SẮT TỪ
Lĩnh vực: Hóa học

NGƯỜI HƯỚNG DẪN
TS.Nguyễn Tiến Dũng

1.
2.

n

ến Dũng
ng n
ng

TÁC GIẢ:
Lớp 11A2 rường THPT Nguyễn Tất Thành
Lớp 11A2 rường THPT Nguyễn Tất Thành

Hà Nội, tháng 01 năm 2015


Trùng hợp polymer………………………………………………

5

3.1.2

ều chế hạt nano sắt từ……………………………………..........

9

á Fe2+ ……………………………………....

9

3.1.2.1

P ương p áp x

3.1.2.2

P ương p áp t

ỷ p ân cưỡng c ế ……………………………

10

3.1.2.3

P ương p áp đồng kết tủ ………………………………………


3.1.4
3.2
3.2.1

ổng ợp vật l ệ …………………………………………………
Hoá chất và dụng cụ ……………………………………………

18
18

ổng ợp ạt ôx t sắt ……………………………………………

19

3.2.2.1

Tổng hợp hạt oxit sắt ……………………………………………

19

3.2.2.2

Biến tính bề mặt hạt oxit sắt ……………………………………

19

3.2.2.3

Kết quả …………………………………………………………….


Các nội dung sẽ nghiên cứu trong thời gian tới ……………..

26

Phần 4

Kết luận …………………………………………………………….

31

Tài liệu tham khảo ………………………………………………

32

2


PHẦN 1: LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Ô nhiễm các sự cố tràn dầu thực sự là một thảm họ đối với sinh vật thủy
sinh.Việc xử lý ô nhiễm tràn dầ cũng vì t ế m được nhiều nhà khoa học
tr ng nước và Quốc tế hết sức quan tâm.
Với sản lượng sản xuất và tiêu thụ dầ
ng năm rất lớn, việc vận tải và rò
rỉ trong khi sản xuất, khai thác và chế biến dầu mỏ t ường gây ra những ô
nhiễm nghiêm trọng.Có thể kể đến một số vụ tràn dầu rất lớn gần đây mà hậu
quả để lạ đến nay vẫn c ư g ải quyết được triệt để:
- Ngày 20/4/2010 t ảm ọ Deepw ter Horizon được ước tín l sự cố rò
rỉ dầ r b ển lớn n ất từ trước tớ n y. ơn 750.000 lít dầ t ô rò rỉ mỗ ng y
từ g n k n dầ Deepw ter

được trong dầu, không bị hòa tan trong dầu. Các vật liệ được sử dụng nhiều
là những vật liệ p lyme t ên n ên n ư: sợi bông, sợ đ y, bã mí , sợi
kenaf, sợ k p k… các l ại giấy thấm dầu [11,12]. Các polyme thiên nhiên có
ư đ ểm là rẻ tiền, dễ kiếm và dễ chế tạ t y n ên n ược đ ểm lớn là chúng
ư nước, t ông t ường c úng út nước và tồn tạ lơ lửng tr ng nước đ ều này
làm ô nhiễm xử lý không triệt để và vẫn gây r độc hại vớ động thực vật thủy
sinh. Các polyme tổng hợp t ường dùng ơn n ưng có n ược đ ểm là khó thu
hồi khi ở dạng hạt, nếu ở dạng tấm miếng thì lạ k ông cơ động trong việc
hấp thu và khó tái sử dụng sau khi hấp t

v t ường không giải hấp được

[7,9].
ã có một vài nhóm nghiên cứu về vật liệu polyme hấp thụ dầ n ưng có
những hạn chế n ư: có g á t n c , k ó tổng hợp, tan trong dầu, hấp thụ
dầu không triệt để, không giải hấp và tái sử dụng được [1].
Nhóm nghiên cứu của chúng em dự trên cơ sở polystyren là vật liệ ư
dầu dạng hạt dẻo, chúng em đã t ến hành thực nghiệm trùng hợp huyền phù
styren và d v nylbenzen để tạo co-polyme. ể có thể thu hồ c úng được dễ
dàng chúng em phân tán hạt oxit sắt trong hỗn hợp 2 monome rồi tiến hành
trùng hợp. Vật liệ t

được có khả năng út dầu rất tốt đồng thời có thể sử

dụng n m c âm để hút lạ được. Sau khi thu hồi, vớ xăng

ặc dầu nhẹ có

thể sử dụng nhiệt để cất tác xăng dầu ra khỏi vật liệ để tái sử dụng, tuy
nhiên với dầu nặng thì không tác được do nhiệt phân hủy của vật liệu không

to

C O O C
O
O

.

.

C O
O

.

2

(1)

C O
O

(2)
+

C O
O

Các gốc này có thể chuyển hoá tiếp:


C

+

.

C

O

O

O
+

C
O

5

.

O

(5)


Ký hiệu các gốc tồn tại trong quá trình phản ứng là:

.


x

.

r

+

(7)

r - ch2- c h

.

ch2= ch

(8)

r - ch 2- c h
y

y

+ Phản ứng phát triển mạch:

.

ch2- c h


ch2- c h

+

x

.

k12

ch 2= ch

ch2 - ch - ch 2- c h

Y

.

ch2- c h

.

k 22

ch 2- ch - ch 2- c h

Y

Y


+

(10)

(12)

X

Y

+ Phản ứng tắt mạch:

.

ch 2- ch - ch 2- c h
x

.

ch 2- ch - ch 2- c h

+

x

ch 2- ch - ch 2- c h

x

x


x

x

(14)

7


.

ch 2- ch - ch 2- c h

+

y

y

.

ch 2- ch - ch 2- c h

ch 2- ch - ch 2- c h

y

y



x

(16)
............

Chuyển mạc t e

2

ướng bất đối xứng

.

ch 2- ch - ch 2- c h
y

ch 2- ch - ch 2- ch 2

y

y

y

+

ch 2- ch - ch = ch
y


(18)

.

ch 2- ch - ch 2- c h
y

+

.

ch 2- ch - ch 2- c h

x

y

y

ch 2- ch - ch 2 - ch 2

+

y

x

ch 2- ch - ch = ch
y


ộng ọc củ p ản ứng x

ó Fe2+ c ậm v k ó đ ề k ển, t ường

ngườ t nên trán sử dụng p ương p áp n y.
9


Sử dụng FeCl2.4H2O v d ng dịc N
80oC-90oC. Lọc v sấy k ô q
từ, đã t

3

0.07 , p ản ứng t ến

n ở

đêm tr ng k ông k í ở t 0 phòng ạt sắt

được một số kết q ả s :
Sự phụ thuộc kích thước hạt, thể tích đơn vị tế bào,
độ từ hoá bão hoà vào nồng độ FeCl2

Mẫu

Nồng

số


37.8

586.5

2.3

37

3.00

91.4

586.4

2.0

Kết q ả:

độ Kích

thước Thể tích tế bào MS

- Các ạt tạ được đề có dạng ìn cầ

-

ẫ 28 v 32 l đơn p

-


trên cơ c ế hình thành và phát triển các mầm tinh thể. Trong dung môi thích
hợp, sự thuỷ phân tạ r các
hay cầu x n ư

n đ n ân c ứa những cầ O

n ư

-OH-M

-O-M là tiền thân của nhân mầm tinh thể [2,8].

Trong dung dịch, ion kim loại Mz+ bị hidrat hoá. Bản chất của quá trình
này do sự n ường e- của phân tử H2O  hình thành liên kết yếu giữa cation

10


trung tâm và O.
[M(H2O)n]z+ [M(OH)p(H2O)n-p](z-p)+ + pH+
+ Cơ chế của sự thuỷ phân:
z


H
H
( z 1) 
 H 2 On 1 MOH
 H 3O 
H 2 On 1 M  O  ... O

 H 2O n1 M  O
 H 3O 
H

H

  O  M OH 2 n 1 
H


H


|
 H 2 O n 1 M  O  M OH 2 n 1 





z

( 2 z 1) 



Phức oxo

H 2O


ạt k ông c ứ tác n ân bề mặt t ì ngườ t có t ể sử

dụng trực t ếp, ví dụ n ư c èn trực t ếp v
mỏng tr ng ứng dụng vật l ệ q ng từ.
trìn p ản ứng n ư s

n ững lớp p m p lyme s ê
Chú thích:

:
1– Van N2
2, 9 – Bìn đ ều nhiệt
3 - Dung dịch Fe2+, Fe3+
4 – Dung dịch kiềm
5 – Nhiệt kế
6 – Bình phản ứng

Mô hình phản ứng theo
phương pháp đồng kết tủa

ở v n N2 sục v

7 – Que khuấy
8 – Sinh hàn

d ng dịc 3 c ứ Fe2+, Fe3+ v d ng dịc 4 c ứ N O ,

trộn lẫn 2 d ng dịc v đư v

bìn p ản ứng 6. Lắp s n


12


ẫ 1: ìn cầ , p ân bố kíc t ước ẹp;

d = 5,9 nm

ẫ 2: dạng ạt gần g ống ìn lập p ương; d =12,8 nm
Kíc

t ước ạt ở mẫ 2 lớn ơn mẫ 1, d tr ng mẫ 2 có sự x

á

c ậm lượng dư Fe (II) Fe(III):
Fe2+ + 2 OH- Fe(OH)2
O2

Fe(OH)2 ----> Fe3O4 + H2O

Bán kính ion Fe2+ ( 0,74 A0) lớn ơn bán kín

n Fe3+ ( 0,64 A0), d đó

lượng dư Fe2+ l ng yên n ân gây r sự tăng kíc t ước ạt.
Một số lưu ý khi tiến hành phương pháp đồng kết tủa:
+ Tỉ lệ Fe2+/Fe3+: D các m ố Fe2+ rất dễ bị x
t ường lấy tỉ lệ về số m l Fe2+/Fe3+> 0,5.


củ các ạt n n sắt từ nên

ện tượng n y, ngườ t đã t ến
.

n

ột tr ng n ững p ương p áp đó l

(tetrametyl amoni hidroxi) thay cho NaOH, NH4OH, vì

cation N(CH3)4+ có k ả năng p ân cực

á t ấp.

+ Nồng độ: Nồng độ tác n ân p ản ứng nên  0,1 . Nế nồng độ
q á đặc, ạn c ế sự t m g củ

2O

v

tr ng q á trìn p ản ứng d đó l m

tăng k ả năng kết tụ.
+Nhiệt độ: N ệt độ ản
ản

ưởng đến tốc độ p át tr ển củ t n t ể d đó


c ất

gồm một p

ạt động bề mặt v một c ất t n tr ng

ạt động bề mặt p ân tán tr ng

tán tr ng p

ữ cơ đóng v trò l m d ng mô ,

2O

2O.

P ần đầ p ân cực củ

v p ần đ ô k ông p ân cực p ân

ữ cơ.

+ Giới thiệu một số hệ vi nhũ
a.

ệ gồm

2O/AOT/

n-heptan


án t n bằng bể s ê âm
Hệ v n ũ I

Chất hoạt động bề mặt/ pha hữ cơ

Dung dịch của một b zơ

án t n bằng bể s ê âm
Hệ v n ũ II

Chất hoạt động bề mặt/ pha hữ cơ

Sơ đồ phương pháp vi nhũ
rộn lẫn 2 ệ v n ũ tr ng mô trường k í q yển N 2, k ấy tốc độ c .
Sản p ẩm được l tâm, rử , l m k ô tr ng c ân k ông.
3.1.3 Biến tính bề mặt hạt oxit sắt
3.1.3.1 Lí do biến tính bề mặt hạt oxit sắt
Hạt sắt oxit muốn đư được vào trong polyme phả được biến tính bề
mặt, nếu không chúng sẽ bị lắng và chìm trong dung dịch hỗn hợp phản ứng
và tách ra ngoài.
D năng lượng bề mặt c
k ện ứng dụng đò

nên các ạt sắt từ t ường bị kết tụ.

ỏ k ông có sự kết tụ m p ả p ân tán được.

lực tương tác s c yển động n ệt, d tương tác đẩy p ả mạn


ìn ản cộng ưởng từ...

3.1.3.2 Một số phương pháp biến tính bề mặt
K

kíc t ước ạt n ỏ đến một g ớ

ạn n ất địn , ạt t ể

s ê t ận từ, ạt s ê t ận từ có rất n ề ứng dụng nên các n

ện tín
k

ọc

c ủ yế tập tr ng ng ên cứ p ương p áp bả vệ ạt n n s ê t ận từ.Sau
đây l một số p ương p áp bả vệ ạt n n s ê t ận từ SPION (s per
paramagnetic iron oxide nanoparticles) [8].
Phương pháp 1:
Sử dụng d ng dịc n tr le t để có t ể tạ r được

yền p ù bền, vớ

nồng độ 2.10-4 t ì vừ vặn tạ r một lớp đơn ấp p ụ trên bề mặt

ạt sắt từ.

ệ gồm SPION v d ng dịc n tr le t được p ân tán tr ng bể s ê âm
vớ cường độ mạn tr ng 5’, t0 là 800C, s

v

x t c cb xyl c có sự ìn t n l ên kết

cực củ

x t bé p ân tán tr ng một d ng mô

ạt sắt từ

á ọc. P ần đ ô k ông p ân
ữ cơ k ông p ân cực n ư

toluen hay n-hexan

Axit cacboxylic hấp phụ hoá học trên bề mặt hạt sắt từ
16


Phương pháp 3:
n bột ( B) được sử dụng ng y tr ng q á trìn p ản ứng, lớp p l me b
p ủq n

ạt ngăn ngừ sự x

á v trán sự kết tụ bở sức căng bề mặt.

Lấy 100 mg TB hoà tan trong 20 ml nước cất ở 800C dưới tác dụng của
máy khuấy từ, 5ml dung dịch chứa 0,1M Fe2+ và 0,2 M Fe3+ được rót vào dung
dịc

đề được sấy khụ trong chân không trong 2 ngày.
Hệ số hấp thụ dầ (W) được xác định bằng p ương p áp 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 p òng. L m tú đối chứng tương tự
n ưng k ông c

vật liệu hấp thụ dầ để xác địn được sự tăng k ố lượng

17


của túi có chất hấp thụ dầu. Sau một khoảng thời gian nhất định lấy túi mẫu ra
khỏi dầ v để ráo hết dầu trong 1 phút cân chính xác khố lượng túi mẫu.
Tiến

n cân c

đến khi khố lượng túi chứa vật liệu hấp thụ dầu không

tăng lên nữa thì dừng lại [7,10,11].
ể xác định khả năng ấp thụ dầ (lượng dầu hấp thụ đó bã

ò )

t ông t ường cho hấp thụ khoảng trên 4 giờ, có thể ngâm tới 24 giờ tuy nhiên
chú ý khả năng b y ơ của dầu kết quả sẽ k ông còn c ín xác. Xác định
trọng lượng mẫ t

được. Hệ số hấp thụ dầ được tính theo công thức:
W

Bể đ ều nhiệt, cân phân tích, tủ sấy, máy khuấy, nhiệt kế, bình cầu ba cổ,
cốc thuỷ tinh, bình tam giác, pipet và các dụng cụ khác.
3.2.2 Tổng hợp hạt ôxit sắt:
3.2.2.1 Tổng hợp hạt oxit sắt [8]
Tiến hành pha dung dịch hỗn hợp muối FeCl3 và FeCl2 tr ng nước cất với
các nồng độ CMFeCl3= 0,24M, và CMFeCl2= 0.12M, rồi rót vào bình phản ứng
được đặt trong hệ đ ều nhiệt ở nhiệt độ 50oC. Dung dịch NaOH 0,05M rót vào
phễu nhỏ giọt.
rước và trong quá trình phản ứng các dung dịc đề được sục khí N2 để
ngăn ngừa sự oxi hoá của các ion Fe2+, sử dụng máy khuấy với tốc độ cao với
tốc độ nhỏ giọt 2-3 giây/giọt .
Hỗn hợp phản ứng chuyển t n m

đen ng y s

k

n ỏ giọt, pH của

phản ứng ổn định từ 10,4 -10,5, tiến hành phản ứng trong 120 phút.
P ản ứng t ủy phân:
Fe2+ + 2Fe3+ + 8OH- Fe3O4 + 4H2O
Sản phẩm đem lọc tách li tâm, rửa sạch các ion Cl- bằng nước cất vài lần
(thử ion Cl- bằng kết tủa trong dung dịch AgNO3), s

đó rửa kết tủa bằng cồn

960 khoảng 2-3 lần.
ẫ vật l ệ


: 0,6%

Nước cất

: 97,4%

- Khi cần sử dụng hạt nano Fe3O4, cho hệ vào máy ly tâm tốc độ cao,
lọc tách hạt, sấy k ô v đư v

sử dụng.

- Có thể thay thế hệ amoni oleat bằng cách sử dụng trực tiếp axit oleic,
sử dụng bể s ê âm để trộn đều hạt.
3.2.2.3 Kết quả
Ảnh TEM (ảnh kính hiển v đ ện tử truyền qua) của vật liệu oxit sắt:
Các hạt ôxit sắt được phân tán trong amoni oleat và chụp ảnh TEM tại
Viện Vệ sinh dịch tễ r ng ương c

ạt có cấ

trúc n n , kíc

cỡ

kết quả n ư s :

ạt tương đố đồng đề

k ảng dướ


phản ứng.Sau 240 phút dừng phản ứng kể từ khi cho thêm chất khở đầu và
làm lạnh hỗn hợp xuống nhiệt độ phòng.Sản phẩm t
trong metan l để loại bỏ các m n me dư, s

được rửa và khuấy

đó được lọc và làm khô trong

chân không ở 70oC tới khố lượng k ông đổi.
Phản ứng trùng hợp:

Hàm lượng hạt nano Fe3O4
trong vật liệu (%)
Thời gian hấp thu dầu cân
bằng (phút)

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0


Nhìn vào phổ ta thấy: Trên bề mặt cắt ngang của vật liệu có oxit sắt,
đ ề đó c ứng tỏ vật liệu của chúng ta oxit sắt đã đ vào trong thành phần của
vật liệu. (Minh chứng nam châm hút vật liệ cũng c

t ấy đ ều này). Các

chất k ác n ư Ag, Al, C , Zn… lẫn vào là do nhiễu của quá trình chụp SEM.

22


Phổ EDX của vật liệu hấp thu dầu chứa 4% Fe3O4

Ảnh SEM bề mặt vật liệu đo tại Viện Khoa học Vật liệu – Viện Hàn lâm
Khoa học và Công nghệ Việt Nam
Ảnh SEM cho thấy vật liệu có những hạt nhỏ li ti phân tán trên bề mặt,
có thể suy luận đó l n ững hạt oxit sắt được c úng t đư v
vật liệ được hình thành ở dạng hạt, có kích cỡ dưới 100µm.

23

tr ng vật liệu,


3.2.3.2.2 Phổ hồng ngoại
0.15
0.14
0.13

0.11

1110.51 1157.00
1065.63

843.25

0.03

1492.17

1727.17
1600.05
1937.17

0.04

1871.82
1806.47

0.05

2854.93

0.06

3026.22

0.07

2922.58


-1

(cm )

St

νC-H

νC=C

νC-C

no

vinyl

no

(cm-1)

(cm-1)

(cm )

3060

1498

-


động n óm C=C tr ng v nyl đ ề đó

chứng tỏ q á trìn p lyme ó c ư

n t n xảy ra, theo một số phân tích

của các tác giả nước ng
tạo vật liệ tr

đổ

đã ng ên cứu về vật liệu này trong quá trình chế
n trên cơ sở St/DVB t ì đó l các n óm vinyl của

divinylbenzen tham gia vào với vai trò là một monome trong quá trình trùng
hợp. DVB tr ng p lyme n y ng

ý ng ĩ l một monome nó còn có vai trò

của một chất tạ lưới, tuy nhiên nếu là chất tạ lưới hoàn toàn thì các gốc
vinyl sẽ không còn tồn tại trong polyme.

25