TỔNG HỢP OXIT SẮT(III) Fe2O3 CẤP HẠT NANO BẰNG
PHƯƠNG PHÁP SOL-GEL, THỬ KHẢ NĂNG HẤP PHỤ ION Pb2+
TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC
GVHD: ThS Phan Thị Minh Huyền
Trường Đại học Vinh
TÓM TẮT
Bột nano oxit sắt(III) đã được tổng hợp bằng phương pháp sol-gel . Cấu
trúc của oxit sắt được nghiên cứu bằng các phương pháp hóa lý bao gồm: hiển
vi điện tử quét (SEM), nhiễu xạ tia X (XRD) cho thấy bột oxit sắt thu được có
kích thước nano và chủ yếu tồn tại ở dạng Fe 2O3. Với kích thước hạt oxit sắt cỡ
nanomet chúng ta có thể sử dụng để tiến hành tách loại các ion kim loại nặng
trong nước uống và nước sinh hoạt.
I.MỞ ĐẦU
Với sự phát triển như vũ bão của khoa học và công nghệ, giờ đây một thế
hệ vật liệu mới đang được các nhà khoa học quan tâm, đó là vật liệu có kích
thước nanomet (1÷100 nm) với nhiều tính chất đặc biệt. Dạng vật liệu này đang
mở ra những lĩnh vực mới trong công nghệ và khả năng ứng dụng của nó.
Việc tổng hợp vật liệu nano trong vài năm trở lại đây đang rất được chú ý.
Hiện nay phương pháp sol–gel đang là phương pháp sử dụng rất thành công
trong tổng hợp vật liệu nano do có những ưu điểm nổi bật: cho sản phẩm có độ
tinh khiết cao, tính đồng nhất lớn, nhiệt độ tổng hợp thấp, có thể điều khiển các
thơng số của vật liệu thông qua điều khiển các yếu tố phản ứng.
Oxit sắt với kích thước nanomet nó đã mở ra một triển vọng mới trong
việc ứng dụng vào công nghệ sinh học, năng lượng, điện tử… Đặc biệt là trong
công nghệ xử lý nước uống và trong y học như tìm ra tế bào ung thư.
Việc xử lý các kim loại nặng trong nước uống bằng hấp phụ các hạt nano
oxit sắt giờ đây đang được các nhà khoa học quan tâm rất nhiều. Vì vậy chúng
tơi chọn đề tài : “Tổng hợp oxit sắt(III) Fe2O3 cấp hạt nano bằng phương pháp
sol – gel, thử khả năng hấp phụ ion Pb2+ trong môi trường nước”.
1

II. THỰC NGHIỆM
Các loại hóa chất bao gồm: FeNO3.9H2O, HNO3 đặc, Rượu etylic,
MgSO4.7H2O, EDTA, Nước cất, Amoniac đặc , Poly vinyl ancol, Axit
sunfosalisilic, Eriocrom đen T (ET- OO).
1. Tổng hợp vật liệu hạt nano sắt (III) oxit:
Các mẫu Ni đều có tỉ lệ pha trộn các hóa chất giống nhau, được tổng hợp
theo các bước sau:
Bước 1: Chuẩn bị dung dịch ban đầu:
Từ các dung dịch Fe(NO3)3 và poli vinylancol đã pha chế, lấy các thể tích
chính xác, phù hợp với công thức mẫu vật liệu cần tổng hợp. Tỉ lệ số mol kim
loại Fe và số mol poli vinylancol là 1: 3. Cho từ từ dung dịch NH 3 đặc vào hỗn
hợp dung dịch trên cho đến khi pH đạt 3.9 ÷ 4 (dung dịch bắt đầu chuyển từ màu
đỏ sang màu xanh rêu). Thêm nước cất 2 lần đến thể tích phù hợp được dung
dịch Xi (sol).
Bước 2: Hình thành và già hóa gel:
Các dung dịch Xi được khuấy trên máy khuấy từ ở nhiệt độ 600C �900 C,
trong khoảng thời gian từ 60 phút

�180 phút đến khi thu được các gel sánh,

trong có màu xanh rêu. Các mẫu được chuyển ngay thành xerogel hoặc được
làm già gel ở nhiệt độ phòng trong thời gian 22h.
Bước 3: Tạo xerogel:
Các mẫu gel được sấy trong tủ sấy ở nhiệt độ 900C. Trong thời gian từ 120
phút đến 240 phút thu được xerogel.
Bước 4: Nung xerogel ở nhiệt độ cao tạo mẫu vật liệu:
Các mẫu Ni nung ở các nhiệt độ từ 4000C

�


9000C trong 2h. Các mẫu

đều có tốc độ nâng nhiệt trung bình là 10 0C/ phút và được làm nguội từ từ trong
lị.
2. Xác định hàm lượng chì trong nước trước và sau khi hấp phụ bằng
hạt nano oxit sắt:
a. Chuẩn bị dung dịch mẫu:
2


 Lấy mẫu: Lấy 3 mẫu tại các khu vực sau:
Mẫu 1 (M1): lấy nước sông lam vào 17h15 ngày 26/4/2011 tại các điểm
sau: hai bên bờ và giữa dòng sau đó trộn lẫn các mẫu nước này để lấy mẫu trung
bình M1.
Mẫu 2 (M2): lấy nước ngầm tại khối 12 Bến Thủy vào 17h45 ngày
26/4/2011.
Mẫu 3 (M3): lấy nước tại hồ công viên Nguyễn Tất Thành vào 10h30 ngày
27/4/2011 tại các điểm sau: giữa hồ, ở đầu nguồn đưa nước vào và ở cuối nguồn
xả nước ra sau đó trộn lẫn các mẫu này để lấy mẫu trung bình M3.
Các mẫu nước này được lấy và bảo quản trong bình nhựa được đậy kín
tránh tiếp xúc với oxi khơng khí tạo ra kết tủa và các hợp chất bay hơi, các ion
kim loại ảnh hưởng trong suốt quá trình bảo quản và xử lí mẫu.


Bảo quản mẫu: Mẫu được bảo quản sau khi ta lấy mẫu bằng cách

axit hóa mẫu phân tích bằng dung dịch HNO3 đậm đặc đến khi pH < 2 mục đích
là để hịa tan các hợp chất khó tan của mẫu về dạng tan thuận tiện trong quá
trình bảo quản mẫu.



Xử lý mẫu: Do mẫu có chứa những phần tử lơ lửng hoặc các hợp

chất hữu cơ do đó cần phải xử lý mẫu trước khi phân tích gồm: lọc mẫu, axit hóa
bằng HNO3 đến pH < 2, rồi đem đo trên phép đo AAS. Nếu mẫu chứa các hợp
chất khó tan của kim loại cần phân tích thì ta cần phá mẫu trước khi lọc nhằm
đảm bảo kết quả phân tích.
b. Xác định chì trong nước:
Hàm lượng chì trong nước trước khi hấp thụ vật liệu nano đã được phân
tích bằng AAS cho kết quả ở bảng sau:

Bảng 1: Nồng độ chì trong nước trước khi hấp phụ bằng vật liệu
Mẫu nước
M1
M2

CPb (ppb)
13,57
10,12

CPb (mg/l)
0,01357
0,01012
3


M3



17,80

0,01780

Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ ion Pb2+:

Cân chính xác 0,1 gam hạt nano sắt (III) của mẫu nung ở 500 0C cho lần
lượt vào 4 cốc thủy tinh chịu nhiệt 250ml. Hút 100 ml nước ở mẫu M 3 cho lần
lượt vào các cốc thủy tinh đó. Đặt trên máy khuấy từ, khuấy nhẹ với tốc độ 100
vòng/ phút và để yên trong các thời gian khác nhau. Sau đó lọc 2 lần bằng giấy
lọc. Nước lọc được phân tích bằng phương pháp AAS.
Bảng 2: Khảo sát khoảng thời gian hấp phụ của ion Pb

Thời gian
khuấy (phút)

Thời gian để
yên (phút)

20
40
80
90

40
80
160
180

2+


Nồng độ
trước khi hấp
phụ (mg/l)
0,0178
0,0178
0,0178
0,0178

Nồng độ sau
khi hấp phụ
(mg/l)
0,00422
0,00382
0,00281
0,00281

Hiệu
suất
(%)
76,29
78,54
84,21
84,21

Nhận xét: Qua các số liệu thực nghiệm cho thấy, thời gian khuấy (thời
gian tiếp xúc của vật liệu với ion kim loại) càng lâu, nồng độ ion kim loại còn lại
trong dung dịch càng giảm và đến một khoảng thời gian khuấy nhất định là 80
phút thì nồng độ Pb2+ cịn lại trong dung dịch khơng đổi. Chứng tỏ trong khoảng
thời gian trên sự hấp phụ đã đạt cân bằng. Vì vậy, chúng tơi chọn khoảng thời

gian này để nghiên cứu các thí nghiệm tiếp theo.
III. KẾT QUẢ VÀ THỰC NGHIỆM
Ảnh hưởng của nhiệt độ nung mẫu
Bảng 3: Nhiệt độ nung các mẫu vật liệu
Mẫu Ni

N1

N2

N3

N4

N5

N6

Nhiệt độ
nung

4000C

5000C

6000C

7000C

8000C


9000C

4


Phổ nhiễu xạ tia X các mẫu Ni thu được sau khi nung cho thấy: khi tăng
nhiệt độ nung, đỉnh phổ của các pha tinh thể tăng dần cường độ. Nguyên nhân
do khi tăng nhiệt độ, các hạt có nhiều năng lượng để kết tinh hơn, do đó độ tinh
thể tốt hơn. Mẫu N1 nung ở 4000C và mẫu N2 nung ở 5000C đã bắt đầu hình
thành các pha tinh thể hematite nhưng đang còn pha lẫn với tinh thể khác, Các
mẫu nung ở nhiệt độ 6000C, 7000C cho các pic sắc nét có cường độ lớn hơn và
đặc trưng cho pha tinh thể hematite. Điều đó chứng tỏ mẫu vật liệu thu được có
độ tinh khiết khá cao, khơng lẫn pha tinh thể khác.

Phổ nhiễu xạ tia X mẫu N1

Phổ nhiễu xạ tia X mẫu N2

Phổ nhiễu xạ tia X mẫu N3

Phổ nhiễu xạ tia X mẫu N4

Ảnh chụp kính hiển vi điện tử quét (SEM):

5


Ảnh SEM của mẫu nung ở 5000C


Ảnh SEM của mẫu nung ở 7000C

Hình ảnh SEM nung ở 5000C và 7000C cho thấy hình ảnh bề mặt của
chúng. Mẫu nung ở 5000C cho thấy cấu trúc của hạt khá đồng đều, kích thước
hạt nhỏ, độ kết dính khá lớn. Mẫu nung ở 700 0C, cấu trúc hạt cũng khá đồng đều
nhưng kích thước hạt lớn hơn và độ kết dính cũng ít hơn.
3.3.Xác định hàm lượng chì trong nước sau khi hấp phụ mẫu vật liệu
oxit săt Fe2O3
Bảng 4. Kết quả xác định hàm lượng chì cịn lại sau khi hấp phụ bằng
0,1gam Fe2O3 của mẫu M3

Mẫu hấp phụ

V(ml)

Fe2O3 Nung ở 4000C

100

Fe2O3 Nung ở 5000C

100

Fe2O3 Nung ở 6000C

CPb (mg/l)
trước khi
hấp phụ
0,0178


CPb (mg/l) sau
khi hấp phụ

Hiệu
suất (%)

0,00296

83,37

0,0178

0,00281

84,21

100

0,0178

0,00156

91,23

Fe2O3 Nung ở 7000C

100

0,0178


0,00125

92,96

Fe2O3 Nung ở 8000C

100

0,0178

0,00125

92,96

Từ kết quả phân tích, ta nhận thấy mẫu vật liệu nung ở 400 0C, 5000C tuy
đã hình thành tinh thể nhưng khả năng hấp phụ vẫn còn kém. Còn các vật liệu
oxit sắt nung ở các nhiệt độ khác (600 0C ,7000C , 8000C) hiệu suất hấp phụ chì
cao hơn và đã giảm được hàm lượng chì trong nước xuống tới mức cho phép đạt
tiêu chuẩn Việt Nam về chất lượng nước sinh hoạt và nước sinh ăn uống (giới
hạn cho tối đa cho phép của chì trong nước ăn uống là 0,01 mg/l).
Bảng 7: Kết quả xác định hàm lượng chì cịn lại sau khi hấp phụ
0,1 gam mẫu vật liệu nung ở 7000C
6

bằng


Mẫu nước
M1
M2

M3

CPb trước khi hấp
phụ (mg/l)
0,01357
0,01012
0,0178

CPb sau khi hấp
phụ (mg/l)
0,00126
0,00082
0,00125

Hiệu suất
(%)
90,71
91,90
92,96

KẾT LUẬN
1.

Từ q trình thực nghiệm chúng tơi đã tổng hợp thành công oxit sắt

Fe2O3 cấp hạt nano bằng phương pháp sol – gel trong phịng thí nghiệm.
2.

Các thơng số về cấu trúc tinh thể, kích thước hạt được xác định qua


các phép đo X – Ray, SEM. Qua đó có thể kết luận nhiệt độ nung có ảnh hưởng
lớn đến cấu trúc và kích thước hạt tinh thể, sự kết khối và phát triển của các hạt
khi tăng nhiệt độ nung mẫu. Bề mặt của vật liệu điều chế được mẫu vật liệu
hematite có kích cỡ hạt nằm trong khoảng 14,75 ÷ 36,11 nm.
3.

Chúng tơi đã sử dụng mẫu vật liệu điều chế được để tiến hành tách

loại các ion kim loại Pb2+ trong môi trường nước. Với mẫu vật liệu được nung ở
7000C có khả năng hấp phụ lớn, đạt hiệu suất cao khi tách loại chì trong môi
trường nước và đạt tiêu chuẩn Việt Nam về chất lượng nước sinh hoạt và nước
ăn uống năm 2009.
Từ kết quả phân tích chúng tơi thấy, có thể nghiên cứu theo hướng áp
dụng quy trình này vào thực tế để tách loại các kim loại nặng trong nước sinh
hoạt và nước ăn uống .
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1.

Hà Tuấn Anh, “Tổng hợp coban ferit cấp hạt nano bằng phương

pháp đồng kết tủa và nghiên cứu cấu trúc, tính chất từ của chúng”, Luận văn
thạc sĩ Hóa học, Đại học Vinh – 2007.

7


2.

Hoàng Minh Châu, Từ Văn Mặc, Từ Vọng Nghi, cơ sở lý thuyết


hóa học phân tích, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật Hà Nội.
3.

Hồng Tinh Dung (2002), hóa học phân tích, phần III, Nhà xuất

bản GD, hà Nội.
4.

Lưu Minh Đại, Nguyễn Xuân Dũng, “Nghiên cứu tổng hợp

peroskite LaMn0,5Cu0,5O3 có kích thước nanomet bằng phương pháp bốc cháy
gel poli vinyl ancol và muối nitrat ở nhiệt độ thấp”, tạp chí hóa học, T(44) (3),
Tr 350 – 355, 2007.
5.

Lưu Minh Đại, Nguyễn Gia Hưng, Nguyễn Thị Tố Loan, Đào Ngọc

Nhiệm “Tổng hợp nhiệt độ thấp các oxit đất hiếm Nd 2O3 và Eu2O3 sử dụng poli
vinyl ancol làm chất nền polime”, Tạp chí hóa học, T(44) (4), Tr 471 – 474,
2006.
6.

Phan Thị Minh Huyền, “Tổng hợp perovskite La1-xCaxMnO3 cấp hạt

nano bằng phương pháp sol – gel, nghiên cứu cấu trúc và tính chất từ ”, Luận
văn thạc sĩ Hóa học, Đại học vinh – 2006.
7.

Đing Quang Khiếu, Phạm thị Oanh, Trần Quang Việt, Trần Thái


Hà, Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế; Nguyễn Đức Cường, Trường Đại
học Sư phạm, Đại học Huế; Phạm Tứ Quý, Đại học Tây Nguyên, “Nghiên cứu
tổng hợp nano oxit sắt bằng phương pháp thủy nhiệt”,Tạp chí khoa học, Đại học
Huế, số 50, 2009.
8.

Hồng Nhâm, hóa học vơ cơ, tập 2, tập 3, Nhà xuất bản GD.

9.

Nguyễn Thị Nhung, Nguyễn Thị Kim Thường, “Nghiên cứu khả

năng tách loại ion Pb2+ trong nước bằng nano sắt kim loại”, viện địa chất, viện
Khoa học và Công nghệ Việt nam.
10.

Hồ Viết Q, cơ sở hóa học phân tích hiện đại, tập 2: các phương

pháp phân tích Lý – Hóa , Nhà xuất bản Đại học Sư phạm.
11.

Hồ Viết Quý, các phương pháp phân tích hiện đại và ứng dụng

trong hóa học, nhà xuất bản Hà Nội.

8


12.


Lê Mậu Quyền, cơ sở lý thuyết hóa học phần bài tập, Nhà xuất bản

Khoa học và kỹ thuật.
13.

Phạm Thị Thủy, Nghiên cứu khả năng tách loại chì trong nước theo

phương pháp hấp phụ trên than hoạt tính, Khóa luận tốt nghiệp, Đại học Vinh –
2007.
14.

GS – TS Phan Văn Tường, hóa học vật liệu, Nhà xuất bản Đại học

Quốc Gia – Trường Đại học khoa học tự nhiên.
15.

Phan Văn Tường (1998), vật liệu vô cơ, Nhà xuất bản Đại học

KHTN – Đại học Quốc gia Hà Nội.
16.

Phan Văn Tường (2004), các phương pháp tổng hợp vật liệu gốm,

Nhà xuất bản Đại học KHTN – Đại học Quốc gia Hà Nội.

9