ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC
––––––––––––––––––––

LỤC THỊ KIM DUNG

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO, PHÂN TÍCH HÌNH THÁI
CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT ĐẶC TRƯNG CỦA NANO
OXIT SẮT TỪ (Fe3O4) VÀ NANO OXIT KẼM (ZnO)
ỨNG DỤNG CHẾ TẠO BỘT CHỮA CHÁY

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

THÁI NGUYÊN - 2019
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

http://lrc.tnu.edu.vn


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC
––––––––––––––––––––

LỤC THỊ KIM DUNG

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO, PHÂN TÍCH HÌNH THÁI
CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT ĐẶC TRƯNG CỦA NANO
OXIT SẮT TỪ (Fe3O4) VÀ NANO OXIT KẼM (ZnO)
ỨNG DỤNG CHẾ TẠO BỘT CHỮA CHÁY
Chuyên ngành: Công nghệ hóa học
Mã ngành: 8 44 01 18



MỤC LỤC

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ................................................................................a
DANH MỤC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ.............................................................................b
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ......................................................................................2
1. GIỚI THIỆU ...........................................................................................................2
1.1. Lý do chọn đề tài..................................................................................................2
1.2. Bột chữa cháy vô cơ.............................................................................................3
1.2. Oxit Sắt từ ............................................................................................................4
1.3. Oxit Kẽm ..............................................................................................................5
1.4. Phương pháp chế tạo nano oxit sắt và nano oxit kẽm..........................................5
1.4.1. Phương pháp chế tạo nano oxit sắt....................................................................5
1.4.2. Phương pháp chế tạo nano oxit sắt....................................................................6
1.5. Ứng dụng của nano oxit sắt và nano oxit zẽm ...................................................11
1.5.1. Ứng dụng của nano oxit sắt.............................................................................11
1.5.2. Ứng dụng của nano oxit kẽm ..........................................................................12
CHƯƠNG 2. MỤC TIÊU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ......................17
2.1. Mục tiêu của đề tài .............................................................................................17
2.2. Nội dung nghiên cứu ..........................................................................................17
2.3. Hóa chất .............................................................................................................17
2.4. Phương pháp luận và phương pháp nghiên cứu.................................................17
2.4.1. Phương pháp chế tạo vật liệu ..........................................................................17
2.4.2. Phương pháp nghiên cứu hình thái, cấu trúc :.................................................19
2.5. Nghiên cứu khả năng hấp phụ khói và khí độc của vật liệu nano oxit sắt và
nano oxit kẽm ............................................................................................................24
2.5.1. Thử nghiệm khả năng hấp phụ khói và khí độc của vật liệu nano oxit sắt .....24
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .........................................................25

Na no Oxit sắt từ

ZnO

Na no Oxit kẽm

CO2

khí cacbonic

PCCC

Phòng cháy chữa cháy

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

http://lrc.tnu.edu.vn


DANH MỤC HÌNH VÀ SƠ ĐỒ
Hình:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

http://lrc.tnu.edu.vn


Hình 1: Nano oxit kẽm được tổng hợp bằng phương pháp sol-gel: (a) màng
mỏng nano oxit kẽm; (b) bột nano oxit kẽm............................................9
Hình 2: Tiêu thụ kẽm oxit trên toàn thế giới............................................................12


Hình 14: Đường thay đổi khối lượng bởi nhiệt độ của các mẫu (a) ZnO/PEG
400:1 và (b) ZnO/PEG 300:1.................................................................39
Hình 15: a) Ảnh chụp hình thái bề mặt của ZnO; b) Đường đẳng nhiệt hấp phụ
và giải hấp phụ N2 của ZnO. ..................................................................40
Hình 16: Phổ nhiễu xạ tia X trước và sau khi hấp phụ 120 phút khí NOx của
Fe3O4....42
Hình 17: Phổ IR của các mẫu Fe3O4 trước và sau khi hấp phụ khí độc NOx ..........43
Hình 18: Lượng khí NOx hấp phụ lên trên bề mặt Fe3O4 ở mỗi thời điểm xác
định.....44
Hình 19: Phổ nhiễu xạ tia X trước và sau khi hấp phụ khí SO2 của Fe3O4 ..............45
Hình 20: Phổ IR của các mẫu Fe3O4 trước và sau khi hấp phụ khí độc SO2 ...........46
Hình 21: Lượng khí SO2 hấp phụ lên trên bề mặt Fe3O4 ở mỗi thời điểm xác định.
.....46
Hình 22: Phổ nhiễu xạ tia X trước và sau khi hấp phụ khí HCN của Fe3O4............47
Hình 23: Phổ IR của các mẫu Fe3O4 trước và sau khi hấp phụ................................48
Hình 24: Phổ nhiễu xạ tia X trước và sau khi hấp phụ 120 phút khí NOx của
ZnO......49
Hình 25: Phổ IR của các mẫu ZnO trước và sau khi hấp phụ khí độc NOx ............50
Hình 26: Lượng khí NOx hấp phụ lên trên bề mặt ZnO ở mỗi thời điểm xác
định.......51
Hình 27: Phổ nhiễu xạ tia X trước và sau khi hấp phụ khí SO2 của ZnO................51
Hình 28: Phổ IR của các mẫu ZnO trước và sau khi hấp phụ khí độc SO2 .............52
Hình 29: Lượng khí SO2 hấp phụ lên trên bề mặt ZnO ở mỗi thời điểm xác định.
.......53
Hình 30: Phổ nhiễu xạ tia X trước và sau khi hấp phụ khí HCN của ZnO..............54
Hình 31: Phổ IR của các mẫu ZnO trước và sau khi hấp phụ khí độc HCN............55
Hình 32: Lượng khí HCN hấp phụ bởi ZnO ở mỗi thời điểm xác định..................55
Sơ đồ:
Sơ đồ 2.1. Quy trình tổng hợp nano oxit sắt .............................................................18

phân tích hình thái, cấu trúc và các tính chất đặc trưng của nano oxit sắt từ
(Fe3O4) và nano oxit kẽm (ZnO) ứng dụng chê tao bột chữa cháy”

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

http://lrc.tnu.edu.vn


CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
1. GIỚI THIỆU
1.1. Lý do chọn đề tài
Theo số liệu thống kê của Tổng cục Cảnh sát quản lý hành chính về trật tự, an
toàn xã hội: Năm 2017, tình hình cháy, nổ trên cả nước có nhiều diễn biến phức tạp,
khó lường. Theo thống kê, trên cả nước đã xảy ra 4.114 vụ cháy nổ, làm chết 119
người, bị thương 270 người, thiệt hại về tài sản trị giá ước tính trên 2000 tỷ đồng.
Qua phân tích, tình hình cháy, nổ gây thiệt hại nghiêm trọng về người và tài sản chủ
yếu là cháy nhà dân, nhà liền kề và một số loại hình cơ sở kinh doanh như khu công
nghiệp, cây xăng, các cơ sở kinh doanh dịch vụ vui chơi giải trí như karaoke, vũ
trường, quán bar [1-3].
Theo số liệu thống kê thì hơn 80% người bị nạn do hỏa hoạn bị tử vong không
phải do sức nóng của lửa làm bỏng và bị thương mà đa phần do nhiễm khói độc
hoặc ngạt khói [4,5]. Thành phần chính của khói lửa gây hại tới sức khỏe là khí CO;
gần đây, khí hydrogen cyanide (HCN) đã được liệt vào danh sách các khí độc trong
khói của các vụ hỏa hoạn. Ngoài ra, khói trong các vụ hỏa hoạn còn có thể chứa các
hợp chất độc hại khác như: các hạt khói cacbon, khí CO2, HCl, NOx, SOx, H2S…
[6,7]
Khả năng loại bỏ khói và khí độc của các bột chữa cháy hóa học truyền thống
rất kém và không thể giải quyết các mối nguy hiểm do các hợp chất độc hại gây ra.
Do đó, cần phải có một yêu cầu thực tế về các phương pháp làm sạch khói, chữa
cháy và hấp thụ khói và khí độc trong các vụ hỏa hoạn.

thành phần chính chiếm hơn 80% trọng lượng và chất phụ gia không được vượt quá
20% trọng lượng [23].
* Những ưu điểm của bột chữa cháy [24, 25, 26]:
- Khả năng chữa cháy cực đại của các tác nhân cả khi sử dụng riêng lẻ và khi
kết hợp với xịt nước / bọt có hiệu quả đặc biệt trong việc dập tắt các đám cháy chất
lỏng trong không gian mở;
- Khả năng dập tắt ngọn lửa nhanh chóng từ bề mặt vật liệu cháy;
- Hiệu quả che chắn các kết cấu chống lại dòng nhiệt phát ra từ ngọn lửa;
- Phù hợp cho việc sử dụng đa mục đích;
- Thân thiện với môi trường (không chứa các thành phần độc hại, chất làm
suy giảm tầng ôzôn, ăn mòn thấp, trơ hoá học);
- Ít gây thiệt hại và ảnh hưởng cho khu vực chữa cháy so với việc chữa cháy
bằng nước và bằng bọt.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

http://lrc.tnu.edu.vn


- Khả năng hoạt động trong một dải nhiệt độ rộng, từ -50 đến +60 °C; và đa
dạng về cách chữa cháy.
Những hạn chế của bột chữa cháy truyền thống:
- Do thành phần hóa học của bột là các muối có tính ăn mòn (đặc biệt là khi
bột bị ẩm), nên không sử dụng bột để chữa cháy cho các đám cháy của các thiết bị
có độ chính xác cao như các đám cháy thiết bị điện tử;
- Bột chữa cháy háo nước, hút ẩm, dễ bị vón cục, đóng tảng nên phức tạp khi
phun chúng vào vùng cháy. Chỉ có thể sử dụng biện pháp nén khí để đẩy bột vào
vùng cháy. Tầm phun xa của các loại lăng phun bột không quá 20 – 25m, đường
ống dẫn bột không được quá dài;
- Khi chữa các đám cháy lớn nên sử dụng kết hợp bột (để dập tắt ngọn lửa)
với bọt chữa cháy (để che phủ đám cháy, ngăn cháy trở lại);

hòa tan trong nước và được sử dụng rộng rãi như một chất phụ gia trong nhiều vật
liệu và sản phẩm bao gồm cao su, nhựa, gốm sứ, thủy tinh, xi măng, chất bôi trơn,
sơn, thuốc mỡ, chất kết dính, chất trám, bột màu, thực phẩm, pin, ferrites, chất
chống cháy và băng sơ cứu. [12]
Trong khoa học vật liệu, oxit kẽm được biết như là chất bán dẫn trong nhóm
II-VI, có sự cộng hóa trị giữa ion bán dẫn và các chất bán dẫn cộng hóa trị. Có vùng
năng lượng rộng (3,37 eV), năng lượng liên kết cao (60 meV), ổn định nhiệt và cơ
học cao ở nhiệt độ phòng. Nhờ vậy, chúng có tiềm năng để ứng dụng trong điện tử,
quang điện tử và công nghệ laser [13-15]. Hơn nữa, ZnO có thể được sử dụng như
một cảm biến, bộ chuyển đổi, máy phát năng lượng và xúc tác quang trong sản xuất
hydro [16,
17]. Bên cạnh đó, nó nhận được nhiều quan tâm cho ứng dụng thuốc sinh học bởi
độc tính thấp, tính tương thích sinh học và khả năng phân hủy sinh học. [18-20].
Sự đa năng của oxit kẽm có được là do sự đa dạng về cấu trúc của oxit kẽm:
cấu trúc nano 1 chiều (1D), hai chiều (2D), hay ba chiều (3D). Bằng việc biến đổi
phương pháp chế tạo và sử dụng các tiền chất khác nhau, ta có thể thu được các cấu
trúc đặc biệt của oxit kẽm để ứng dụng cho các lĩnh vực khác nhau.
1.4. Phương pháp chế tạo nano oxit sắt và nano oxit kẽm
1.4.1. Phương pháp chê tao nano oxit sắt
a) Phương pháp đồng kết tủa
Do tính đơn giản và khả năng sản xuất hàng loạt trong quy mô công nghiệp,
phương pháp đồng kết tủa là phương pháp phổ biến nhất để tổng hợp các hạt nano
sắt từ [29]. Trong phương pháp này, dung dịch ban đầu bao gồm muối Fe 2+ và Fe3+
được kết tủa với dung dịch kiềm như NaOH và NH3.H2O. Thông thường, phản ứng
được xảy ra với tỷ lệ Fe2+/Fe3+ bằng 1/2, đôi khi một phần tỷ lệ thay đổi để bù cho
sự oxy hóa Fe2+ thành Fe3+ [30–32]. Nói chung, cơ chế đồng kết tủa được chia
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

http://lrc.tnu.edu.vn


Do những đặc tính đặc biệt của nó, oxit kẽm đã là chủ đề nghiên cứu của
nhiều nhà nghiên cứu. Điều này đã đưa đến sự phát triển của một loạt các phương
pháp, kỹ thuật để tổng hợp oxit kẽm. Các phương pháp này được thực hiện trong
phòng thí nghiệm với hiệu quả kinh tế cao, năng suất cao và đơn giản để thực hiện.
a) Quy trình cơ hóa
Quá trình hóa cơ là một phương pháp rẻ tiền và đơn giản để thu được các hạt
nano trên quy mô lớn. Nó liên quan đến việc nghiền khô với năng lượng cao, tạo ra
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

http://lrc.tnu.edu.vn


phản ứng thông qua tương tác của bột nghiền và bi nghiền trong cối nghiền bi, ở
nhiệt độ thấp. Một chất rắn với lượng nhỏ hơn (thường là NaCl) được thêm vào cối
nghiền, hoạt động như môi trường phản ứng và phân tách các hạt nano được hình
thành. Một khó khăn cơ bản trong phương pháp này là làm sao nghiền đồng đều và
nghiền hạt đến kích thước cần thiết để giảm thời gian và năng lượng nghiền. Bởi vì,
thời gian nghiền dài hơn dẫn đến một lượng tạp chất nhiều hơn. Ưu điểm của
phương pháp này là chi phí sản xuất thấp, kích thước hạt nhỏ và hạn chế hạt kết tụ,
cũng như tính đồng nhất cao của cấu trúc tinh thể và hình thái học.
Nguyên liệu ban đầu được sử dụng trong phương pháp cơ hóa chủ yếu là
ZnCl2 khan và Na2CO3. NaCl được thêm vào đóng vai trò như môi trường phản ứng
và chất tách các hạt nano. Oxit kẽm được hình thành, sau khi ZnCO3 được nung ở
nhiệt độ 400-800 °C. Quá trình như một toàn bộ bao gồm các phản ứng sau đây (1)
và (2).
ZnCl2 + Na2CO3 → ZnCO3 + 2NaCl
(1)
ZnCO3 → ZnO + CO2
(2)
b) Phương pháp kết tủa

(6)

Zn(OH)42+ = ZnO + H2O + 2OH-

(7)

c) Phương pháp Sol-gel
Việc tổng hợp các hạt nano ZnO bằng phương pháp sol-gel thu hút nhiều sự
quan tâm, với quan điểm là phương pháp đơn giản, chi phí thấp, độ tin cậy, độ lặp
lại cao và các điều kiện tổng hợp tương đối nhẹ nhàng, linh hoạt. Chẳng hạn như, bề
mặt của oxit kẽm có thể được biến tính bằng cách sử dụng các hợp chất hữu cơ khác
nhau. Việc biến tính này thay đổi các thuộc tính và mở rộng phạm vi ứng dụng của
oxit kẽm. Các tính chất quang học thuận lợi của các hạt nano thu được bằng phương
pháp sol-gel đã trở thành một chủ đề phổ biến trong nhiều nghiên cứu, được thể
hiện với rất nhiều công trình đã được công bố [23]. Quy trình tổng hợp oxit kẽm
bằng phương pháp sol-gel [24] được thể hiện cụ thể hơn thông qua Hình 1: màng
mỏng thu được từ các keo sol (Hình 1a), và bột nano thu được từ keo sol đã chuyển
hóa thành gel (Hình 1b).

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

http://lrc.tnu.edu.vn


Hình 1: Nano oxit kẽm được tổng hợp bằng phương pháp sol-gel: (a) màng mỏng
nano oxit kẽm; (b) bột nano oxit kẽm.
d) Phương pháp thủy nhiệt
Phương pháp thủy nhiệt không yêu cầu sử dụng dung môi hữu cơ hoặc quá
trình chế biến thêm cho sản phẩm thu được (nghiền và nung). Điều đó mang đến 1
kỹ thuật tổng hợp đơn giản và thân thiện với môi trường. Quá trình tổng hợp diễn ra

trúc và kích thước của các hạt ZnO. Nó cũng đã được tìm thấy rằng khi độ pH của
dung dịch tăng lên, có sự gia tăng về độ kết tinh và kích thước của các hạt, làm
giảm hiệu quả của quá trình.
e) Phương pháp nhũ tương
Nhũ tương được định nghĩa cơ bản là một pha lỏng không liên tục phân tán
trong một pha lỏng liên tục, và không thể tách rời nhau hoàn thành. Nhũ tương được
chia thành hai nhóm lớn dựa trên bản chất của pha liên tục. Hai nhóm này được biết
đến với tên gọi nhũ tương “dầu trong nước” và “nước trong dầu”. Các thuật ngữ
“dầu” và “nước” được gọi 1 cách chung chung; hầu như bất kỳ chất lỏng ưa nước
và phân cực thì gọi là pha nước, trong khi các chất lỏng kỵ nước, không phân cực
được coi là pha dầu.
Tác giả Vorobyova và các đồng nghiệp [28] đã tổng hợp oxit kẽm bằng
phương pháp nhũ tương. Cụ thể, oxit kẽm được kết tủa trong phản ứng của kẽm
oxalat (hòa tan trong decan) với natri hydroxit (hòa tan trong ethanol hoặcNước).
Toàn bộ quá trình liên quan đến phản ứng (10):
Zn(C17H33COO)2 (decan) + 2NaOH (nước và ethanol) → ZnO + H2O +
2C17H33COONa (10)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

http://lrc.tnu.edu.vn


Các phân tích SEM và XRD được thực hiện để đánh giá độ tinh khiết và hình
thái bề mặt của bột ZnO thu được. Chúng cho thấy rằng phản ứng có thể diễn ra
trong nhiều pha khác nhau, cả trong pha nước và pha hữu cơ. Và các điều kiện của
quá trình (nhiệt độ, chất nền và tỷ lệ của các thành phần hai pha) ảnh hưởng đến
kích thước của các hạt và vị trí của các pha của chúng. Oxit kẽm thu được với các
hình dạng hạt khác nhau (dạng hạt không đều, hình dạng kim, hình cầu và hình lục
giác) và đường kính trong khoảng: 2–10 µm, 90–600 nm, 100–230 nm và 150 nm


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

http://lrc.tnu.edu.vn


mà tạo ra nhiệt nung nóng những vùng xung quanh. Nhiệt độ khoảng 42 °C trong
khoảng 30 phút có thể đủ để giết chết các tế bào ung thư. Nghiên cứu về kĩ thuật
tăng thân nhiệt cục bộ được phát triển từ rất lâu và có rất nhiều công trình đề cập
đến kĩ thuật này nhưng chưa có công bố nào thành công trên người. Khó khăn chủ
yếu đó là việc dẫn truyền lượng hạt nano phù hợp để tạo ra đủ nhiệt lượng khi có sự
hiện diện của từ trường ngoài mạnh trong phạm vi điều trị cho phép.
1.5.2. Ứng dụng của nano oxit kẽm
Do tính chất đa dạng của nó, cả hóa chất và vật lý, oxit kẽm được sử dụng
rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ lốp xe đến gốm sứ, từ dược phẩm đến nông
nghiệp và từ sơn đến hóa chất. Hình 2 cho thấy tiêu thụ oxit kẽm trên toàn thế
giới theo vùng.

Hình 2: Tiêu thụ kẽm oxit trên toàn thế giới
Trong Hình 3, các nhánh ứng dụng của ZnO theo từng lĩnh vực cũng đã được
biết đến.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

http://lrc.tnu.edu.vn


Hình 3: Sơ đồ biểu diễn tất cả các ứng dụng của ZnO đã được đề cập.
a). Ngành công nghiệp nhựa
Sản xuất oxit kẽm toàn cầu lên đến khoảng 10 5 tấn mỗi năm, lượng này tiêu

ra rằng titan và kẽm oxit là phương tiện rất tốt trong kem chống nắng, vì chúng hấp
thụ bức xạ tia cực tím, không gây kích thích da, và dễ dàng được hấp thụ lên da [3537].
c). Ngành công nghiệp dệt
Ngành dệt may mang lại tiềm năng to lớn cho việc thương mại hóa các sản
phẩm công nghệ nano. Đặc biệt, vải không thấm nước và tự làm sạch rất hứa hẹn
cho các ứng dụng quân sự, nơi không có thời gian để rửa trong điều kiện khắc
nghiệt. Cũng trong thế giới kinh doanh, tự làm sạch và vải chống thấm nước rất hữu
ích trong việc ngăn ngừa các vết bẩn không mong muốn trên quần áo. Bảo vệ của
cơ thể từ phần UV có hại của ánh sáng mặt trời là một khu vực quan trọng khác.
Nhiều nhà khoa học đã làm việc trên vải tự làm sạch, chống thấm và chống dính
UV [38].
Đối với các ứng dụng dệt, không chỉ là oxit kẽm tương thích sinh học, mà
còn cấu trúc nano. Lớp phủ ZnO có khả năng thấm không khí và hiệu quả hơn như
chất chống tia UV so với khối lượng lớn đối tác [39]. Do đó, cấu trúc nano ZnO trở
nên rất hấp dẫn khi bảo vệ tia cực tím lớp phủ dệt. Các phương pháp khác nhau đã
được báo cáo để sản xuất hàng dệt chống tia cực tím sử dụng cấu trúc nano ZnO. Ví
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

http://lrc.tnu.edu.vn