HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM
KHOA MÔI TRƯỜNG
------------

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
TÊN ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO NI(0)
TRÊN NỀN CHITOSAN VÀ ỨNG DỤNG XỬ LÝ
HỢP CHẤT HỮU CƠ CHỨA CLO

Người thực hiện

: Nguyễn Thị Huệ

Lớp

: MTC

Khóa

: 57

Ngành

: Khoa học môi trường

Giáo viên hướng dẫn

: ThS Lê Thị Thu Hương

Địa điểm thực tập

Trong suốt quá trình thực tập, ngoài sự nỗ lực của bản thân tôi còn
nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình của tập thể, cá nhân trong và ngoài trường.
Trước hết, tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của giáo
viên hướng dẫn ThS Lê Thị Thu Hương đã động viên, tận tình chỉ bảo, tạo điều
kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn tốt nghiệp.
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban giám hiệu Học viện Nông
nghiệp Việt Nam, các thầy cô trong khoa Môi trường và đặc biệt là các thầy
cô ở bộ môn Hóa đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi thực hiện đề tài.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn gia đình, bạn bè và người thân đã luôn bên
cạnh cổ vũ, động viên và giúp đỡ tôi hoàn thành khóa luận này.
Cuối cùng, xin kính chúc tất cả các thầy cô giáo luôn dồi dào sức khỏe,
công tác tốt và thành công trong công việc.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2016

Sinh Viên

Nguyễn Thị Huệ

ii


MỤC LỤC
Tôi xin cam đoan, các số liệu và kết quả nghiên cứu trình bày trong báo cáo
khóa luận tốt nghiệp này là trung thực và chưa hề được sử dụng để bảo vệ bất
kỳ một học vị nào. .............................................................................................i

Hình 3.2: Kết quả phân tích SEM.................Error: Reference source not found
Hình 3.3: Biểu đồ mối quan hệ giữa tỷ lệ khối lượng nano Ni(0)/ chitosan và
hiệu suất xử lý TCE......................................Error: Reference source not found
Hình 3.4: Biểu đồ mối quan hệ giữa khối lượng vật liệu và hiệu suất xử lý TCE
......................................................................Error: Reference source not found
Hình 3.5: Biểu đồ mối quan hệ giữathời gian phản ứng và hiệu suất xử lý TCE
......................................................................Error: Reference source not found
Hình 3.6: Hiệu suất xử lý theo pH................Error: Reference source not found

v


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt
BVTV
CA
CFC
CS
TCE

Nghĩa đầy đủ
Bảo vệ thực vật
Cenluloso acetat
Cloflocacbon
Chitosan
Tricloetilen

vi




… đã cho thấy những ưu điểm vượt trội so với các phương pháp thông
thường. Việc sử dụng vật liệu nano kim loại hóa trị 0 đang trở thành một lựa
chọn ngày càng phổ biến cho việc xử lý chất độc hại và khắc phục các khu
vực bị ô nhiễm, có hoạt tính tốt trong việc giải trừ các hợp chất chứa Clo, Ni
tơ, hợp chất chứa nhân thơm… là các nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường, ô
nhiễm thực phẩm và tác nhân gây ra các bệnh ung thư hiểm nghèo.
Xuất phát từ các vấn đề trên, dưới sự hướng dẫn của ThS Lê Thị Thu
Hương, tôi thực hiện đề tài “ Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano Ni(0) trên
nền Chitosan và ứng dụng xử lý hợp chất hữu cơ chứa clo”.
Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của đề tài
Mục tiêu nghiên cứu
- Xác định được phương pháp chế tạo và một số đặc tính của vật liệu
nano Ni(0) trên nền Chitosan.
- Đánh giá khả năng xử lý hợp chất hữu cơ chứa clo (Tricloetilen –
TCE - C2HCl3) của vật liệu.
Nội dung nghiên cứu
- Tìm hiểu và xác định phương pháp chế tạo vật liệu nano Ni(0) trên
nền Chitosan.
- Xác định được một số đặc tính của vật liệu bằng các phương pháp vật
lý và hóa học hiện đại.
- Thử nghiệm vật liệu nano Ni(0) để xử lý Tricloetilen (TCE).
- Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý TCE bằng
vật liệu nano Ni(0).

2


Chương 1: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1 Giới thiệu về công nghệ nano

quả của quá trình này làm xuất hiện hiệu ứng chắn Coulomb, làm giảm khả
năng dẫn điện của vật liệu.
- Tính chất từ: các kim loại quý như vàng, bạc,… có tính nghịch từ ở
trạng thái khối do sự bù trừ cặp điện tử. Khi vật liệu thu nhỏ kích thước thì sự
bù trừ trên sẽ không toàn diện nữa và vật liệu có từ tính tương đối mạnh. Các
kim loại có tính sắt từ ở trạng thái khối như các kim loại chuyển tiếp sắt, cô
ban, niken thì khi kích thước nhỏ sẽ phá vỡ trật tự sắt làm cho chúng chuyển
sang trạng thái siêu thuận từ. Vật liệu ở trạng thái siêu thuận từ có từ tính
mạnh khi có từ trường và không có từ tính khi từ trường bị ngắt đi, tức là từ
dư và lực kháng từ hoàn toàn bằng không.
- Tính chất nhiệt: Nhiệt độ nóng chảy của vật liệu phụ thuộc vào mức
độ liên kết giữa các nguyên tử trong mạng tinh thể. Nếu kích thước của hạt
nano giảm, nhiệt độ nóng chảy sẽ giảm.
Với các tính chất khác biệt so với vật liệu thông thường, vật liệu nano
kim loại được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực trong đời sống: người ta
trộn hạt nano vàng, bạc vào thủy tinh để chúng có các màu sắc khác nhau,
nghiên cứu khả năng diệt tế bào ung thư của nano vàng … gần đây, người ta
còn tạo ra nguyên tử nhân tạo từ hạt nano kim loại mở ra khả năng ứng dụng
lớn trong tương lai.
1.1.3 Vật liệu nano kim loại trên nền polyme
1.1.3.1 Khái niệm
Nano kim loại – polyme: là loại vật liệu mà trong đó polyme đóng vai
trò như một chất bao bọc bên ngoài và ổn định hạt kim loại bên trong, thể
hiện nhiều tính năng vượt trội, có thể thay thế các loại vật liệu truyền thống
trong nhiều lĩnh vực khác nhau.(Phan Nguyễn Thu Xuân - Đại học Bách
Khoa TP.HCM, 2014)

4





trúc và tính chất của vật liệu nano- composit từ polyeste bão hòa và đất sét
biến tính bằng poly (etilen oxit).
Ngoài ra, một số các sản phẩm nghiên cứu khác như: vật liệu polyme
nanocomposit trên cơ sở nhựa ABS và nanoclay ( Nguyễn Thị Thu Ngọc- Đại
học Sư phạm Hà Nội 2, 2012); vật liệu bạc/polyvinylancol (Phan Nguyễn Thu
Xuân- Đại học Bách khoa TP Hồ Chí Minh,2014)…
Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài, tôi tiến hành nghiên cứu chế tạo
vật liệu nano Ni(0) gắn trên nền chitosan và khảo sát khả năng xử lý hợp chất
hữu cơ chứa Clo.
1.1.4 Ứng dụng vật liệu nano trong xử lý môi trường
Với những tính chất đặc biệt của vật liệu nano, các nhà khoa học đã
nghiên cứu và đạt được nhiều thành tựu trong việc ứng dụng vật liệu nano để
xử lý ô nhiễm môi trường.
Trên thế giới, một số sản phẩm điển hình ra đời như:
 Xốp nano giữ nước mưa do Viện Công Nghệ Massachusetts (Hoa
Kỳ) sản xuất là sự kết hợp giữa hợp chất polymer và các hạt nano thủy tinh
được phủ lên bề mặt như vải để hút nước, được dùng để giữ nước mưa ở các
nước: Trung Quốc, NêPal và Thái Lan.
 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
được loại bỏ bằng một nam châm.
 Màng khử mặn do Đại học California, Los Angeles và NanoH2O 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.
 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 nm. Màng lọc nano
được thử nghiệm ở Trung Quốc và khử mặn nước ở Iran đòi hỏi ít năng lượng



1.2 Hợp chất hữu cơ chứa Clo và ảnh hưởng của chúng
1.2.1 Khái niệm
Hợp chất hữu cơ chứa clo là hợp chất hữu cơ trong phân tử có chứa
một hoặc nhiều nguyên tử clo gắn với gốc hydrocacbon. Công thức chung của
chúng như sau:
R-Clx
Trong đó:
R là gốc hydrocacbon.
x là số nguyên tử clo có trong phân tử.
Dựa vào đặc điểm cấu tạo phân tử ta có thể chia các hợp chất clo hữu
cơ thành nhiều loại khác nhau. Theo cấu tạo của gốc Hydrocacbon ta có các
hợp chất hữu cơ chứa clo như:
 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
Cl

 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:
H

Cl
C

Cl

được sinh ra từ các chất làm mát trong truyền nhiệt, trong dung môi chế tạo
mực in…
1.2.3 Ứng dụng của các chất hữu cơ chứa clo
Hợp chất hữu cơ chứa clo được sử dụng rộng rãi trong các ngành công
nghiệp, thường được dùng để sản xuất thốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ, diệt côn
trùng trong nông nghiệp như 1,2,4- triclobenzen, 1,4- diclobenzen,
hexanclobenzen. Một số được sử dụng làm chất tẩy rửa như: 1,1,1- tricloetan,
tetracloetilen trong làm sạch kim loại và tẩy dầu mỡ nhờn; một số khác được
sử dụng trong y tế, dược phẩm như: Clorofom, Vinyliden clorid; dùng làm
dung môi hữu cơ như Diclometan, Hexanclobutadien…Ngoài ra, chúng còn là
phụ gia, nguyên liệu tổng hợp nhựa, ví dụ: Diclometan làm hóa chất tẩy sơn,
sản xuất chất tạo bột; Vinyl clorid là nguyên liệu sản xuất nhựa PVC,
Tricloetilen là phụ gia sản xuất keo…(Cao Thủy Tiên- Đại học Dân lập Hải
Phòng, 2010).

9


Mỗi năm trên thế giới sản xuất và tiêu thụ hàng chục triệu tấn clo hữu
cơ, sau khi sử dụng, chúng được thải ra môi trường gây tác động không nhỏ
đến môi trường và sức khỏe con người.
1.2.4 Độc tính của các hợp chất hữu cơ chứa clo
Một số hợp chất hữu cơ chứa clo tiêu biểu có tác động xấu đến môi
trường và con người:
DDT (Di(para-clo-phenyl)-tricloetan) là thuốc trừ sâu đã bị cấm sử
dụng trên hầu hết các quốc gia, đây là loại thuốc tồn lưu và ổn định trong hầu
hết các điều kiện môi trường, DDT và các hợp chất của nó không bị phân hủy
bởi vi khuẩn trong đất, chúng được tích lũy trong dây chuyền thực phẩm vào
con người (Phan Trung Quý, 2011). DDT có tác động rõ rệt lên hệ thống thần
kinh, gây nên sự rối loạn hệ thống thần kinh, chúng gây ra hiện tượng đau

CFCs (Chlorofluorocacbons) là các hợp chất được sử dụng như một
chất sinh hàn, nó được ứng dụng làm khí sinh hàn trong tủ lạnh, xe hơi, bình
chữa cháy…tuy nhiên, nó có tác động rất xấu đến môi trường. CFCs là chất
gây hiệu ứng nhà kính cực kì mạnh, là nguyên nhân phá hủy tầng ozon, gây
phá hủy hệ sinh thái và gây hại cho cây trồng. Đối với con người, tiếp xúc
trực tiếp với CFCs có thể gây bất tỉnh, khó thở, mắt đỏ và đau…(Lê Huy BáĐộc học môi trường cơ bản, 2008).
Với những tác hại như trên, việc xử lí các chất hữu cơ chứa Clo trước
khi thải ra môi trường đang là một trong những vấn đề được các nhà khoa học
đặc biệt quan tâm.

11


1.3 Hợp chất Tricloetilen (TCE)
1.3.1 Đặc tính của TCE
Tricloetilen (TCE) có công thức hóa học là C 2HCl3, tên quốc tế là
Trichloroethylene; 1,1,2-Trichloroethene; 1,1-Dichloro-2-Chloroethylene; 1Chloro-2,2-Dichloroethylene; Acetylene Trichloride.
TCE có công thức cấu tạo như sau:

Bảng 1.1: Một số tính chất vật lý của TCE
Công thức phân tử

C2HCl3

Khối lượng phân tử M, g.mol-1

131,39

Màu sắc



12


1.3.2 Sản xuất
Hiện nay, hầu hết các TCE đều được sản xuất từ etilen. Trước tiên, etilen
được clo hóa trên xúc tác FeCl3 để tạo 1,2-dichloroethane:
CH2=CH2 + Cl2  ClCH2CH2Cl

(1)

Sau đó, 1,2-dicloetan được đun nóng cùng với Clo ở 400 0C để tạo
Tricloetilen:
ClCH2CH2Cl + 2Cl2  ClCH=CCl2 + 3HCl

(2)

Phản ứng (2) có thể được xúc tác bằng các chất khác nhau, xúc tác
thường được sử dụng nhất là hốn hợp KCl và AgNO 3. Tuy nhiên, các dạng
khác nhau của Cacbon xốp cũng có thể được sử dụng. Các phản ứng này tạo
ra tetracloetilen như một sản phẩm phụ và phụ thuộc vào lượng clo cung cấp
cho phản ứng, thậm chí tetracloetilen cũng có thể là sản phẩm chính. Thông
thường, tricloetilen và tetracloetilen được thu lại cùng nhau và sau đó được
phân tách bằng quá trình chưng cất.
1.3.3 Ứng dụng của TCE
• Là dung môi cho nhiều loại nguyên liệu hữu cơ.
• Chủ yếu được dùng làm dung môi tẩy dầu mỡ cho kim loại và dùng
trong ngành công nghiệp khác.
• Khi nó được sản xuất rộng rãi vào những năm 1920, ứng dụng chính
của TCE là dùng để trích ly dầu thực vật từ các nguyên liệu như đậu nành,

là một số phương pháp chính đang được sử dụng.
1.4.1 Phương pháp oxy hóa
Đây hiện đang là phương pháp được sử dụng phổ biến và có quy mô
công nghiệp lớn nhất để xử lí chất thải chứa clo và các loại chất thải hóa học
khác. Bản chất của phương pháp là đốt các hợp chất chứa clo ở nhiệt độ cao,
có hay không có mặt của chất xúc tác để phân hủy các hợp chất thành CO 2,
H2O và Cl2.

14


Ưu điểm của phương pháp: có thể thực hiện việc phân hủy hoàn toàn
các hợp chất hữu cơ clo gây ô nhiễm môi trường kể cả hợp chất clo vòng
thơm bền; sản phẩm của quá trình phân hủy có khả năng được loại bỏ một
cách dễ dàng; tận dụng nhiệt và thiết bị đơn giản, dễ vận hành, chi phí xử lí
vừa phải…
Bên cạnh những ưu điểm như trên, phương pháp này vẫn còn gặp phải
nhiều nhược điểm. Nhược điểm lớn nhất của phương pháp là gây ảnh hưởng xấu
đến môi trường như: quá trình xử lí sinh ra lượng lớn khí nhà kính, gây biến đổi
khí hậu trên toàn cầu; tiêu tốn một lượng lớn nguồn tài nguyên thiên nhiên và còn
tồn tại nhiều nhược điểm gây hại đến hệ sinh thái và sức khỏe con người.
1.4.2 Phương pháp khử
Phương pháp này sử dụng dòng khí H 2 để cắt bỏ liên kết C-Cl trong
hợp chất hữu cơ chứa clo và thay thế nguyên tử clo bị loại bỏ bằng nguyên tử
hydro. Đây là phương pháp quan trọng để xử lý các chất clo hữu cơ thành các
hợp chất không độc hại và có ích cho các quá trình khác của công nghệ tổng
hợp hữu cơ – hóa dầu.
Ưu điểm chính của phương pháp là các sản phẩm đầu ra có thể dễ dàng
loại bỏ, không độc hại tới môi trường và có thể thu hồi, tái sử dụng. Ngoài ra,
phương pháp còn có thể xử lý các hợp chất clo hữu cơ đa dạng khác nhau với

1.4.5 Phương pháp sử dụng vật liệu nano kim loại hóa trị 0
Việc sử dụng kim loại hóa trị 0 (nano zerovalent metals (nZVM)) trong
xử lí chất nguy hại đã nổi lên như một công nghệ đầy hứa hẹn cho việc xử lí
các chất hữu cơ chứa clo, kim loại độc hại và các loại ion có hại như nitrat.
Việc khử clo của chất hữu cơ có thể dùng các kim loại hóa trị 0 như: Fe, Zn,
Ni, palladium… chúng có khả năng chuyển electron trong liên kết C-Cl của
chất hữu cơ (D. E. Meyer and D. Bhattacharyya, 2007)
Quá trình xử lí với Fe0:
4Fe0  4Fe2+ + 8 eCl2C2HCl + 5H+ + 8e-  C2H6 + 3Cl-

16


Với kích thước nanomet thì các hiệu ứng có liên quan đến bề mặt( hiệu
ứng bề mặt) sẽ trở nên quan trọng làm cho tính chất của vật liệu nanomet
khác biệt so với vật liệu ở dạng khối.
Phương pháp này mang lại rất nhiều các ưu điểm như: hiệu quả xử lí
tốt, có thể xử lí được nhiều hợp chất đa dạng và thời gian lưu động trong nước
nhanh và đặc biệt không sinh ra các sản phẩm có hại đến môi trường.
Tại Việt Nam, hiện nay đã ứng dụng thành công 2 trạm xử lý nước thải
tập trung khu công nghiệp Thach Thất – Quốc Oai – Hà Nội và cụm công
nghiệp Quất Động – Thường Tín – Hà Nội bằng công nghệ sử dụng vật liệu
tổ hợp nano sắt hóa trị 0 đánh dấu bước ngoặt trong công nghệ xử lý nước
thải, tuy nhiên, bên cạnh đó cần có các nghiên cứu phát triển sâu hơn nhằm
tìm kiếm ra các vật liệu mới đạt hiệu quả cao hơn trong xử lí chất thải nói
chung và hợp chất hữu cơ chứa clo nói riêng.
1.5 Giới thiệu chung về chitosan
1.5.1 Nguồn gốc
Chitin/chitosan là những polysaccarit tồn tại trong tự nhiên với sản
lượng rất lớn (đứng thứ 2 sau xenlulozo). Trong tự nhiên chitin tồn tại trong