BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA CÔNG NGHỆ
------

------

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU
C
TỔNG HỢP
P OXIT SẮT
S
TỪ
(Fe3O4) BẰNG
NG PHƯƠNG
PH
PHÁP ĐỒ
ỒNG KẾT
TỦA
A KẾT
K
HỢP HÓA SIÊU ÂM

CÁN BỘ HƯỚNG
NG DẪN
D

SV THỰC HIỆN:



Khoá: 36.

4. Nội dung nhận xét:
a. Nhận xét hình thức LVTN: .............................................................................................
............................................................................................................................................
b. Nhận xét về nội dung của LVTN (đề nghị ghi chi tiết và đầy đủ):
- Đánh giá nội dung thực hiện đề tài: .................................................................................
............................................................................................................................................
- Những vấn đề còn hạn chế: ..............................................................................................
............................................................................................................................................
- Nhận xét về sinh viên: ......................................................................................................
............................................................................................................................................
- Kết luận, đề nghị và điểm: ...............................................................................................
............................................................................................................................................
Cần Thơ, ngày…..tháng…..năm……
Cán bộ hướng dẫn


TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA CÔNG NGHỆ

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
------------------------------------

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

Cần Thơ, ngày…..tháng…..năm……
NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN

các thầy cô trong bộ môn Công Nghệ Hóa Học. Trong suốt quá trình làm luận văn em
đã nhận được rất nhiều sự quan tâm và hướng dẫn rất nhiệt tình từ cô Huỳnh Thu Hạnh
để giúp em hoàn thành luận văn này. Một lần nữa em xin gửi lời cảm ơn chân thành
đến cô và các thầy cô trong bộ môn.
Xin gửi lời cảm ơn đến thầy Hồ Quốc Phong, thầy Nguyễn Việt Bách, cô
Huỳnh Liên Hương đã hướng dẫn, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho em trong quá
trình làm thực nghiệm ở phòng thí nghiệm của bộ môn.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn đến các bạn trong lớp đã giúp đỡ tôi trong quá
trình làm luận văn và thời gian học tập vừa qua. Giúp tôi khi tôi gặp khó khăn và động
viên tinh thần tôi để tôi đạt được kết quả như ngày hôm nay.
Mặc dù đã rất cố gắng để hoàn thành đề tài đúng thời hạn nhưng không tránh
khỏi những sai sót. Mong các thầy cô thông cảm.

SVTH: Nguyễn Minh Tiến

i


Luận văn tốt nghiệp
MỤC LỤC
Danh mục hình
Danh mục bảng
Danh mục từ viết tắt
Mục lục
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ...................................................................................................... 1
1.1.

Giới thiệu về vật liệu nano .......................................................................................... 1

1.2.

1.6.1. Phương pháp đánh giá sơ bộ ............................................................................... 18
1.6.2. Phương pháp đánh giá đầy đủ ............................................................................. 19
1.7.

Ứng dụng của vật liệu nano Fe3O4 ............................................................................ 20

1.7.1. Làm vật liệu hấp phụ ........................................................................................... 20

SVTH: Nguyễn Minh Tiến

ii


Luận văn tốt nghiệp
1.7.2. Hấp phụ Cu2+ trong nước .................................................................................... 22
1.7.3.

Các ứng dụng khoa học quan trọng khác của vật liệu nano Fe3O4 ..................... 24

CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM ............................................................................................... 26
2.1.

Hóa chất - thiết bị - dụng cụ ...................................................................................... 26

2.1.1. Hóa chất............................................................................................................... 26
2.1.2. Thiết bị và dụng cụ .............................................................................................. 26
2.2.

Tổng hợp oxit sắt từ (Fe3O4) ..................................................................................... 27


3.1.2. Thí nghiệm 2 ....................................................................................................... 43
3.1.2.1. Nhận xét............................................................................................................ 43

SVTH: Nguyễn Minh Tiến

iii


Luận văn tốt nghiệp
3.1.2.2. Biện luận .......................................................................................................... 44
3.1.3. Thí nghiệm 3 ....................................................................................................... 44
3.1.4. Thí nghiệm 4 ....................................................................................................... 45
3.1.5. Thí nghiệm 5 ....................................................................................................... 45
3.1.5.1. Nhận xét............................................................................................................ 45
3.1.5.2. Biện luận .......................................................................................................... 46
3.1.6. Thí nghiệm 6 ....................................................................................................... 46
3.1.6.1. Nhận xét............................................................................................................ 47
3.1.6.2. Biện luận .......................................................................................................... 47
3.1.7. Kết quả phân tích đánh giá .................................................................................. 48
3.2.
3.3.

Kết quả hiệu suất thu hồi sản phẩm ....................................................................... 48
Kết quả phân tích hóa lý ............................................................................................ 49

3.3.1. Kết quả đo nhiễu xạ tia X ................................................................................... 49
3.3.2. Kết quả chụp ảnh SEM........................................................................................ 52
3.3.3. Kết quả đo cỡ hạt................................................................................................. 52
3.4.


mg.l-1, khối lượng vật liệu Fe3O4 0.5 g với hiệu suất hấp phụ 88.23%.

SVTH: Nguyễn Minh Tiến

v


Luận văn tốt nghiệp
Danh mục hình
Hình 1 - 1. Cấu trúc thường gặp của ferrite - Fe3O4 ................................................................... 4
Hình 1 - 2. Hệ nhũ tương nước trong dầu và dầu trong nước .................................................... 7
Hình 1 - 3. Cơ chế hoạt động của phương pháp vi nhũ tương ................................................... 7
Hình 1 - 4. Fe3O4 kích thước nano theo phương pháp siêu âm .................................................. 9
Hình 1 - 5. Sơ đồ điều chế Fe3O4 ............................................................................................. 10
Hình 1 - 6. Sơ đồ đồng kết tủa trong hệ khan........................................................................... 12
Hình 1 - 7. quá trình tạo mầm và tạo hạt .................................................................................. 15
Hình 1 - 8. Quá trình tạo mầm và tạo hạt ................................................................................. 16
Hình 2 - 1. Sơ đồ quy trình tổng hợp Fe3O4 ............................................................................. 27
Hình 2 - 2. Mô tả cách bố trí thí nghiệm điều chế Fe3O4 ......................................................... 28
Hình 2 - 3. Thí nghiệm tổng hợp Fe3O4 ................................................................................... 28
Hình 2 - 4. Máy đo pH ............................................................................................................. 28
Hình 2 - 5. Lọc lấy Fe3O4 ......................................................................................................... 29
Hình 2 - 6. Sơ đồ quy trình điều chế oxit sắt từ (Fe3O4) .......................................................... 31
Hình 2 - 7. Máy siêu âm ........................................................................................................... 32
Hình 2 - 8. Máy đo kích cỡ hạt................................................................................................. 33
Hình 2 - 9. Máy UV-Vis........................................................................................................... 36
Hình 2 - 10. Sơ đồ quy trình hấp phụ Cu2+............................................................................... 38
Hình 2 - 11. Bố trí thí nghiệm hấp phụ Cu2+ ........................................................................ 39
Hình 3 - 1. Đồ thị pH theo thể tích dung dịch NH3 .................................................................. 42
Hình 3 - 2. Đồ thị pH theo thể tích dung dịch NH3 .................................................................. 43

thí nghiệm ......................................................................................................................30
Bảng 2 - 3.Thứ tự các dung dịch dựng đường chuẩn xác định Cu2+ ..................39
Bảng 3 - 1. Kết quả khối lượng và hiệu suất của sản phẩm qua 6 lần điều chế .48
Bảng 3 - 2. Kết quả đo mật độ quang .................................................................55
Bảng 3 - 3. Kết quả xác định thời gian đạt cân bằng hấp phụ ............................56
Bảng 3 - 4. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng độ Cu2+đến khả năng hấp phụ
.......................................................................................................................................57
Bảng 3 - 5. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của khối lượng Fe3O4 khả năng hấp
phụ Cu2+ .........................................................................................................................58

SVTH: Nguyễn Minh Tiến

viii


Luận văn tốt nghiệp
ĐẶT VẤN ĐỀ
Hiện nay, vật liệu nano đóng vai trò quan trọng và đang được quan tâm vì nó
không thể thiếu trong công nghệ hiện đại. Chúng là thành phần của nhiều máy điện và
thiết bị điện và nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác. Điều đó cho ta thấy khoa
học ngày nay có nhiều thành tựu đáng kể, đặc biệt là công nghệ nano đang làm thay
đổi cuộc sống chúng ta thông qua việc con người có khả năng kiểm soát kích thước hạt
từ vài nm đến vài chục nm.
Vật liệu nano được biết đến với các ứng dụng như: cung cấp năng lượng sạch,
truyền tải điện năng hiệu suất cao, sử dụng vật liệu nano cho các hệ thống lọc nước
sạch… Một số nước phát triển trên thế giới như Mỹ, Nhật Bản, các nước châu Âu đã
nhìn nhận công nghệ nano như một trong những lĩnh vực triển vọng nhất của thế kỷ 21
và đã có các dự án đầu tư tương đối lớn cho lĩnh vực này, như phương pháp sử dụng
vật liệu oxit sắt từ (Fe3O4) dạng nano hấp phụ các chất gây ô nhiễm đang được nghiên
cứu và ứng dụng để giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường. Ngoài ra, oxit sắt từ dạng

Người ta gọi đó là kích thước tới hạn. Vật liệu nano có tính chất đặc biệt là do kích
thước của nó có thể so sánh được với kích thước tới hạn của các tính chất của vật liệu.
Các tính chất khác như tính chất điện, tính chất từ, tính chất quang và các tính chất hóa
học khác đều có độ dài tới hạn trong khoảng nm (Pitkethly et al., 2004).
Khi vật liệu có kích thước nano thì các hiệu ứng lượng tử và hiệu ứng bề mặt
xuất hiện. số nguyên tử nằm trên bề mặt sẽ chiếm tỉ lệ đáng kể so với tổng số nguyên
tử. Diện tích bề mặt lớn của các hạt nano là một lợi thế khi chúng được ứng dụng để
hấp phụ khí hay các ion, hoặc khi chúng được ứng dụng trong xúc tác, trong đó các
phản ứng xảy ra trên bề mặt của chất xúc tác là vật liệu nano. Chính vì vậy các hiệu
SVTH: Nguyễn Minh Tiến

1


Luận văn tốt nghiệp
ứng có liên quan đến bề mặt, gọi tắt là hiệu ứng bề mặt thể hiện rỏ ràng hơn làm cho
tính chất của vật liệu có kích thước nano khác biệt so với vật liệu ở dạng khối
(Pitkethly et al., 2004).
1.2. Oxit sắt từ (Fe3O4)
1.2.1. Oxit sắt từ dạng thường
• Công thức: Fe3O4 hay FeO.Fe2O3
• Phân tử lượng 231.533 g.mol-1
• Cấu hình electron:

Fe: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s2

↑↓

↑


↑

↑↓

4s0

↑

↑

3d5

4s0

1.2.1.1. Tính chất vật lý
‒ Dạng tinh thể lập phương hay dạng bột vô định hình, màu đen.
‒ Thành phần chủ yếu trong quặng magnetite.
‒ Không tan trong nước và dung môi hữu cơ. Tan trong dung dịch axit loãng
(chậm). Không tan trong dung dịch kiềm.
‒ Bị oxi hóa chậm trong không khí và chuyển dần sang dạng Fe2O3 màu nâu
đỏ.
‒ Nhiệt độ nóng chảy: tnc = 1538 oC.

SVTH: Nguyễn Minh Tiến

2


Luận văn tốt nghiệp
1.2.1.2. Tính chất hóa học


(1.6)

∗ Tác dụng với các chất khử thông thường: C, CO, H2, Al (phản ứng ở nhiệt
độ cao).
4H2 + Fe3O4 → 3Fe + 4H2O

(1.7)

Fe3O4 + 2C → 2CO2 + 3Fe

(1.8)

Fe3O4 + 4CO → 3Fe + 4CO2

(1.9)

8Al + 3Fe3O4 → 4Al2O3 + 9Fe

(1.10)

1.2.2. Oxit sắt từ dạng nano
Fe3O4 là một oxit hỗn hợp FeO.Fe2O3 có cấu trúc tinh thể spinel ngược, thuộc
nhóm ceramic từ, được gọi là ferrite (công thức chung là MO.Fe2O3, trong đó M có thể
SVTH: Nguyễn Minh Tiến

3


Luận văn tốt nghiệp

SVTH: Nguyễn Minh Tiến

4


Luận văn tốt nghiệp

↓

Tứ diện Fe3+

3d5

Bát diện Fe2+

Bát diện Fe3+

↑

↑

↑

↑

↑

3d6

↑↓

ứng dụng vật lý như truyền động từ môi trường không khí vào buồng chân không, làm
chất dẫn nhiệt trong các loa công suất cao,... Hạt nano Fe3O4 được điều chế theo
nguyên tắc: vật liệu khối oxit sắt từ được nghiền nhỏ đến kích thước nano và hình
thành hạt nano Fe3O4 từ các nguên tử (R.S. Tebble et al., 1969).
Trong những nghiên cứu đầu tiên về, vật liệu từ tính oxit sắt từ, được nghiền
cùng với các chất hoạt đông bề mặt (CHĐBM) (axit Oleic) và dung môi (dầu, hexane).
CHĐBM giúp cho quá trình nghiền được dễ dàng và đồng thời tránh các hạt kết tụ với
nhau. Sau khi nghiền, sản phẩm phải trải qua một quá trình phân tách hạt rất phức tạp
để có được các hạt tương đối đồng nhất. Phương pháp nghiền có ưu điểm là đơn giản
và chế tạo được vật liệu với khối lượng lớn. Việc thay đổi CHĐBM và dung môi
không ảnh hưởng nhiều đến quá trình chế tạo (Rosensweig, 1985).

SVTH: Nguyễn Minh Tiến

5


Luận văn tốt nghiệp
Nhược điểm của phương pháp này là tính đồng nhất của các hạt nano không cao
vì khó có thể khống chế quá trình hình thành hạt nano. Hạt nano từ tính chế tạo bằng
phương

pháp

này

thường

được


CHĐBM, sự hình thành, phát triển các hạt nano bị hạn chế và tạo nên các hạt nano rất
đồng nhất. Kích thước hạt có thể từ 4 – 12 nm với độ sai khác khoảng 0.2 - 0.3 nm
(Feltin N et al., 1997). Cơ chế như sau (hình 1 - 3).

SVTH: Nguyễn Minh Tiến

6


Luận văn tốt nghiệp

Hình 1 - 2. Hệ nhũ tương nước trong dầu và dầu trong nước
(http://user.hus.edu.vn/nguyenhoanghai/che-tao-hat-nano-o-xit-sat#_edn)

Hình 1 - 3. Cơ chế hoạt động của phương pháp vi nhũ tương
(http://user.hus.edu.vn/nguyenhoanghai/che-tao-hat-nano-o-xit-sat#_edn)

Phương pháp này khá đơn giản, dễ thực hiên, sản phẩm có chất lượng cao, đồng
đều. Tuy nhiên, do hệ nước trong dầu nên nồng độ tác chất không lớn nên năng suất
không cao. Phản ứng có nhiều dung môi hữu cơ nên ít nhiều gây ô nhiễm môi trường.
Ngoài ra, các thông số về thiết bị công nghệ (khuấy trộn, siêu âm, ...) có ảnh hưởng
lớn đến chất lượng sản phẩm (http://user.hus.edu.vn/nguyenhoanghai/che-tao-hatnano-o-xit-sat#_edn).

SVTH: Nguyễn Minh Tiến

7


Luận văn tốt nghiệp
1.3.4. Điều chế Fe3O4 bằng phương pháp hóa siêu âm

(1.13)

Chất oxy hóa mạnh hydrogen peroxide sẽ oxy hóa Fe2+ thành Fe3+ theo phản
ứng sau:
2Fe2+ + H2O2 → 2Fe3+ + 2OH-

(1.14)

2Fe3+ + Fe2+ + 8OH- → Fe3O4↓ + 4H2O

(1.15)

SVTH: Nguyễn Minh Tiến

8


Luận văn tốt nghiệp
Do hỗn hợp Fe2+/Fe3+ không theo tỷ lệ mol 1:2 từ ban đầu, Fe3+ được tạo ra do
sự oxy hóa Fe2+ nên thành phần trong sản phẩm phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện
phản ứng. Phản ứng qua nhiều giai đoạn trung gian nên khó kiểm soát các thông số để
có sản phẩm tốt.
Kích thước hạt thu được khoảng 20 – 100 nm. Thời gian siêu âm càng lâu thì
hạt càng nhỏ. pH tối ưu là 7.8, pH cao hơn thì hạt hình thành có kích thước to hơn.
Cường độ siêu âm không nhỏ hơn 16 W.cm-2 (.Nguyễn Phương Hải, 2008)

Hình 1 - 4. Fe3O4 kích thước nano theo phương pháp siêu âm (Nguyễn Phương Hải, 2008)

1.3.5. Điều chế Fe3O4 kích thước hạt nano bằng phương pháp hóa học
Phương pháp hóa học có thể tạo ra các hạt nano có độ đồng nhất khá cao, rất

Trong một nhóm, có các phương pháp khác nhau về tiền chất, điều kiện phản
ứng và kết quả thu được (Nguyễn Phương Hải, 2008).
1.3.5.2.1. Nhóm nhiệt phân muối sắt (III) hữu cơ
∗ Nhiệt phân muối sắt (III) acetylacetonate
Phản ứng sắt(III) acetylacetonate trong phenyl ether với sự có mặt của rượu,
oleic acid, và oleylamine ở nhiệt độ 265 °C. Phương pháp này có thể tạo hạt nano kích
thước 4 nm khi không có mầm kết tinh nhưng để đạt kích thước 20 nm thì cần phải có
mầm kết tinh (Nguyễn Phương Hải, 2008).
Phương pháp sử dụng nguyên liệu đắt tiền nhưng thực hiện nhanh qua ít giai
đoạn.
∗ Nhiệt phân phức sắt-oleate
Fe3O4 được tạo thành từ nhiệt phân phức sắt ở nhiệt độ cao (≈ 220 oC). Phức sắt
được tạo thành từ sự kết hợp giữa FeCl3 và Na-oleate. Na-oleate được tạo thành từ sự
trung hòa axit oleic bằng NaOH.

SVTH: Nguyễn Minh Tiến

10


Luận văn tốt nghiệp
Phương pháp thực hiện rẽ tiền nhưng thời gian thực hiện khá dài, qua nhiều giai
đoạn. Sản phẩm có kích thước khoảng 10 – 30 nm, khá đồng đều (Nguyễn Phương
Hải, 2008).
1.3.5.2.2. Nhóm oxi hóa muối sắt (II)
Muối sắt (II) bị oxy hóa hạn chế bởi NO3-, NO, NO2- trong môi trường kiềm
nhẹ tạo thành Fe3O4.
Cơ chế:
Fe2+ + 2OH- → Fe(OH)2



Fe(OH)3 → FeOOH + H2O

(1.22)

2FeOOH + Fe(OH)2 → Fe3O4 + 2H2O

(1.23)

2Fe3+ + Fe2+ + 8OH- → Fe3O4 + 4H2O

(1.24)

Cơ chế chung:

SVTH: Nguyễn Minh Tiến

11


Luận văn tốt nghiệp
Do hỗn hợp Fe2+/Fe3+ có tỷ lệ mol 1:2 từ ban đầu nên thành phần trong sản
phẩm tương đối đồng nhất. Phản ứng qua nhiều giai đoạn trung gian, phụ thuộc chủ
yếu vào pH và nhệt độ nên có thể kiểm soát được. Có thể chú ý tới các thông số khác
như kiềm hóa, đánh sóng siêu âm để có sản phẩm tối ưu (Nguyễn Phương Hải, 2008).
∗ Đồng kết tủa trong hệ khan
Về nguyên tắc tương tự như trong dung dịch nhưng phản ứng được thực hiện
trong hệ khan. Axit oleic và oleylamine cho phản ứng trước tạo thành axit oleic –
oleylamine là CHĐBM dạng nhão sệt (Nguyễn Phương Hải, 2008).


1.4. Điều chế Fe3O4 bằng phương pháp đồng kết tủa trong dung dịch
1.4.1. Nguyên tắc tạo Fe3O4
Hỗn hợp với tỷ lệ mol Fe3+/Fe2+ = 2 được đồng kết tủa bởi dung dịch kiềm tạo
thành Fe3O4.
Fe3+ + 3OH- → Fe(OH)3↓

(1.25)

Fe2+ + 2OH- → Fe(OH)2↓

(1.26)

Fe(OH)3 → FeOOH + H2O

(1.27)

2FeOOH + Fe(OH)2 → Fe3O4↓ + 2H2O

(1.28)

Phương trình phản ứng chung:
2Fe3+ + Fe2+ + 8OH- → Fe3O4↓ + 4H2O

(1.29)

1.4.2. Cơ chế phản ứng
Fe3+

∗ Đối với quá trình:



Fe(OH)2↓

(2 x 0.01 mol)

nâu đỏ

Theo định luật tác dụng khối lượng: Cần 0.02 mol OH- ≈ 20 ml dung dịch
NH4OH 1M để tủa hết 0.01 mol Fe2+.
Theo lý thuyết tích số tan: Tích số tan của Fe(OH)2 = 4.87.10-17.
SVTH: Nguyễn Minh Tiến

13