Chế tạo và khảo sát tính chất của chất lỏng từ ferit CoFe2O4

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
Đề tài:
CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT
CỦA CHẤT LỎNG TỪ FERIT CoFe2O4
Hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Khánh Dũng
Học viên thực hiện : Huỳnh Thị Thu Hà
Cần Thơ – Tháng 10/2008
LUẬN VĂN THẠC SĨ
CHUYÊN NGÀNH: VẬT LÝ KĨ THUẬT
Sông Thị Vải
Nước bùn Công Ty Vedan
Nước tại 1 cống xả bên bờ rào Công Ty Vedan
Nước thải tại miệng cống của Công Ty Vedan
Ferit coban có:
Độ từ hóa bão hòa cao.
Tính dị hướng từ cao.
Ít bị oxy hóa hơn ferit sắt.
CoFe2O4 và Fe3O4 có những thông số gần bằng nhau:

Đề tài : “Chế tạo và khảo sát tính chất của chất lỏng từ ferit CoFe2O4”
MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI
Tạo ra chất lỏng từ CoFe2O4 có:
Độ từ hóa và độ cảm từ cao.
Các chất kích hoạt bề mặt phải ở dạng huyền phù trong chất lỏng mang.
Ứng dụng chất lỏng từ tạo ra vào việc xử lý những kim loại nặng trong nước bị nhiễm bẩn.
Nội dung trình bày gồm có 5 phần:

Phần 1: Hạt nano từ và chất lỏng từ.

Phần 2: Thực nghiệm tổng hợp hạt nano từ và chất lỏng từ CoFe2O4.

Phần 3: Kết quả nghiên cứu và biện luận.

Phần 4: Ứng dụng hạt nano từ và chất lỏng từ CoFe2O4 vào việc xử lý kim loại nặng trong nước bị nhiễm bẩn.

Phần 5: Kết luận chung và hướng phát triển.
PHẦN 1: HẠT NANO TỪ VÀ CHẤT LỎNG TỪ
Hạt CoFe2O4:
Ferit từ cứng.
Cấu trúc tinh thể lập phương spinel ngược.
Là những hạt đơn đômen
Chất lỏng từ
Chất lỏng từ là một huyền phù gồm các hạt vật liệu từ nhỏ bé (kích thước cỡ nano mét) và chất lỏng mang các hạt từ này.
Chất lỏng từ gồm ba thành phần chính:
Chất lỏng mang (còn gọi là dung môi).
Hạt vật liệu từ kích thước nano (hạt nano từ).
Chất kích hoạt bề mặt (chất cố định bề mặt).
Axit Oleic
Công thức phân tử: C18H34O2
Cấu trúc
Tính chất vật lý:
 Chất lỏng như dầu màu vàng nhạt hay vàng hơi nâu, có mùi giống mỡ lợn, không hòa tan trong nước mà hòa tan trong n- hexan, kerosene và ethanol…
 Nhiệt độ nóng chảy: 13- 14oC.
 Nhiệt độ sôi: 360oC( 760 mmHg).
 Tỷ trọng: 0.895- 0.947 g/cm3.
Các phương pháp tổng hợp hạt nano từ
Phương pháp Vật Lý:
Bốc bay nhiệt trong lò ủ.
Nghiền bi.
Thuỷ nhiệt.
Phún xạ.
Bốc bay nhiệt trong chân không.
Phản ứng pha rắn.
Nguội nhanh.

Phương pháp hoá học:
Đồng kết tủa.
Vi nhũ tương.
Sol-gel.
Hoá siêu âm.
Hoá vi ba.

Phương pháp hoá lý:
Điện hoá.
Ngưng tụ.
Điện hoá siêu âm.
Phản ứng trong ống thép ở nhiệt độ cao.
Phương pháp đồng kết tủa
MeCl2 + 2FeCl3 + 8NaOH  MeFe2O4 + 8NaCl + 4H2O
Ưu điểm:
Chế tạo đơn giản.
Phản ứng xảy ra nhanh.
Có thể tạo ra hạt nano với độ đồng nhất, độ phân tán khá cao, rất thích hợp cho phần lớn các ứng dụng trong nhiều lĩnh vực.
MeCl2 + 2FeCl3 + 8NH4OH  MeFe2O4 + 8NH4Cl + 4H2O
CoCl2.6H2O + 2 FeCl3.6H2O + 8 NaOH → CoFe2O4 + 8NaCl + 22H2O
1. Ứng dụng trong y sinh học
Phân tách và chọn lọc tế bào
Ứng dụng của các hạt nano từ và chất lỏng từ
Nâng thân nhiệt cục bộ
Dẫn truyền thuốc
Tăng tính tương phản cho ảnh cộng hưởng từ (MRI)
2. Ứng dụng trong việc khảo sát cấu trúc đômen từ
3. Ứng dụng trong môi trường
Hạt nanô kết hợp với muối Al2(SO4)3 làm sạch nước bằng lắng đọng chất bẩn

Các chất bẩn trong nước phải sau thời gian dài mới lắng đọng.
Al2(SO4)3 tạo thủy phân tạo keo Al(OH)3 kéo các chất bẩn lắng đọng xuống dưới.
Hạt nano từ tính giúp keo Al(OH)3 làm lắng đọng chất bẩn nhanh hơn khi dùng một từ trường ngoài.
PHẦN 2: THỰC NGHIỆM

Qui trình tổng hợp hạt nano từ CoFe2O4


[1] pH trước khuấy
[2] pH sau khi khuấy
[3] pH xử lý
Bảng các mẫu đã tiến hành thực nghiệm


[1] pH trước khuấy
[2] pH sau khi khuấy
[3] pH xử lý
Qui trình tổng hợp chất lỏng từ CoFe2O4

Bảng các mẫu hạt đã tiến hành phủ
Các thiết bị sử dụng để khảo sát hạt nano từ
và chất lỏng từ
Từ kế mẫu rung
Máy đo phổ nhiễu xạ tia X
Kính hiển vi điện tử quét (SEM)
Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM )
Mô hình máy đo phổ hấp thụ hồng ngoại -FT-IR.
Khảo sát cấu trúc hạt
Phổ X-Ray của mẫu HA8

Phổ X-Ray của mẫu HA10


Phổ X-Ray của mẫu HA12


Kích thước các mẫu hạt thay đổi không nhiều.
Hằng số mạng a = 8,402 Ao.
PHẦN 3: KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN


[1] pH trước khuấy
[2] pH sau khi khuấy
[3] pH xử lý
Khảo sát từ tính của hạt
Độ từ hóa bão hòa phụ thuộc vào nồng độ NaOH.
Trong khoảng nồng độ NaOH 1÷3,5 M, nồng độ càng tăng thì độ từ hóa càng giảm.
Đường cong từ hóa của mẫu HA4, HA8, HA12
Khảo sát từ tính của hạt (tiếp theo)
Độ từ hoá phụ thuộc nhiệt độ.
Đường cong từ hóa của mẫu HA10, HA12
Khảo sát từ tính của hạt (tiếp theo)
Việc sục khí N2 có ảnh hưởng rất lớn đến độ từ hóa bão hòa của mẫu
Đường cong từ hóa của mẫu HA11, HA12
Điều kiện tổng hợp hạt tốt nhất:
Nồng độ NaOH 1 M.
Nhiệt độ: 80÷90oC.
Sục khí nitơ.
Biểu đồ biểu thị độ từ hóa của các mẫu hạt
Khảo sát dạng hình học
Ảnh SEM mẫu HA8 - giai đo 200 nm
Ảnh SEM mẫu HA8 - giai đo 500 nm
Ảnh TEM mẫu HA8 - giai đo 50 nm
Ảnh TEM mẫu HA8 - giai đo 100 nm
Khảo sát dạng hình học (tiếp theo)
Khảo sát mẫu chất lỏng từ
Khảo sát cấu trúc hạt trong chất lỏng từ
Đỉnh phổ cực đại là (113) trùng khớp với đỉnh phổ của các mẫu hạt.
Lớp phủ Oleic không làm thay đổi cấu trúc pha của hạt nano từ CoFe2O4
Phổ X-Ray của mẫu HL4, HL8, HL10


Khảo sát từ tính của chất lỏng từ
Đường cong từ hóa của mẫu HL4, HL8, HL10
So sánh từ tính của mẫu hạt và mẫu chất lỏng từ
Đường cong từ hóa của mẫu HA4 và HL4
Đường cong từ hóa của mẫu HA10 và HL10
Đường cong từ hóa của mẫu HA8và HL8
Biểu đồ biểu thị độ từ hóa của các mẫu hạt và mẫu phủ
So sánh sự ổn định từ tính của mẫu hạt nano từ CoFe2O4 được phủ Oleic với hạt nano từ oxit sắt Fe3O4 phủ Dextran
Biểu đồ biểu thị độ từ hóa của mẫu
CoFe2O4 và mẫu Fe3O4
Mẫu CoFe2O4 ổn định từ tính tốt hơn mẫu Fe3O4
Khảo sát dạng hình học
Ảnh SEM mẫu HL4 - giai đo 300 nm
Ảnh SEM mẫu HL4 - giai đo 1 µm
Khảo sát dạng hình học (tiếp theo)
Ảnh SEM mẫu HL8 - giai đo 300 nm
Ảnh SEM mẫu HL4 - giai đo 500 nm
Khảo sát dạng hình học (tiếp theo)
Ảnh SEM mẫu HL10 - giai đo 500 nm
Ảnh SEM mẫu HL10 - giai đo 1 µm
Ảnh TEM mẫu HL8 - giai đo 50 nm
Ảnh TEM mẫu HL8 - giai đo 200 nm
Khảo sát dạng hình học (tiếp theo)
Phổ hấp thụ FT-IR
Phổ FT-IR của mẫu HA4, Oleic và mẫu HL4
Sự gắn kết của Oleic lên bề mặt hạt CoFe2O4
Có sự hiện diện của axit Oleic lên bề mặt hạt.
Có sự gắn kết giữa lớp phủ và hạt thể hiện qua liên kết COO-hạt nano từ CoFe2O4.
KẾT LUẬN
Chất lỏng từ CoFe2O4 được chế tạo gồm:
Các hạt ferit CoFe2O4:
* Đơn pha.
* Hằng số mạng a = 8,402 Ao.
* Kích thước: 15 ÷ 20 nm
* Ms = 50 ÷ 57 emu/g , HC: 828 ÷ 1751 Oe.
Lớp phủ: Axit Oleic.
Dung môi: Ethanol giúp ổn định từ tính tốt, Ms: 41 emu/g.
Các hạt sau khi phủ có kích thước từ 25 ÷ 30 nm.
Tỉ lệ giữa hạt, dung môi và chất phủ thích hợp đảm bảo yêu cầu
của chất lỏng từ.
Độ nhớt là 13,62 cst, tỷ trọng: 0,893 g/ml.
Độ nhớt và tỷ trọng của chất lỏng từ
Dùng nhớt kế và tỷ trọng kế xác định : Mẫu chất lỏng từ HL8 có độ nhớt là 13,62 cst và tỷ trọng là 0,893 g/ml.
PHẦN 4: ỨNG DỤNG
Dùng hạt nano từ và chất lỏng từ CoFe2O4 để khử những kim loại nặng trong nước bị nhiễm bẩn.
Kim loại nặng:
Kim loại có nguyên tử lượng cao.
Thường có độc tính đối với sự sống như As, Cd, Pb, Hg, Cr, Ni, Zn…
Triệu chứng khi bị ngộ độc kim loại nặng:
Chì:đau bụng, tiêu chảy, ăn không ngon miệng, buồn nôn và co cơ.
Kẽm: khó chịu, nôn, mồ hôi lạnh, mạch đập khẽ.
Nhiễm Asen mãn tính: tác hại đến chức năng của nhiều cơ quan như thần kinh, tim mạch, tiêu hóa, sinh sản, nghiêm trọng hơn là ung thư bàng quang, gan , thận, ruột, làm rối loạn gen.
N
S
Cơ chế hấp phụ kim loại nặng của các hạt CoFe2O4
Qui trình xử lý kim loại nặng đối với các mẫu nước pha chế ở phòng thí nghiệm
Qui trình xử lý mẫu nước thực tế bị nhiễm sắt
Kết quả


Bảng kết quả của các mẫu nước được điều chế
trong phòng thí nghiệm trước và sau khi xử lý
KPH* : Không phát hiện
Nhận xét
Các hạt CoFe2O4 hấp phụ tất cả các kim loại nặng đã khảo sát.
Khả năng hấp phụ các kim loại nặng của hạt CoFe2O4 rất tốt.
Hiệu suất hấp phụ: 99,3% ÷ 100 %.
Sử dụng các hạt CoFe2O4 để khử các kim loại nặng trong nước bị nhiễm bẩn sẽ có hiệu suất rất cao nhưng chi phí xử lý thấp .
Bảng kết quả của mẫu nước thực tế bị nhiễm sắt trước và sau khi xử lý
Mô hình xử lý nước bị nhiễm kim loại nặng
KẾT LUẬN CHUNG
Bằng phương pháp đồng kết tủa đã chế tạo được các hạt nano từ CoFe2O4:
* Đơn pha, cấu trúc tinh thể lập phương spinel.
* Kích thước từ 15 ÷ 20 nm, hằng số mạng a = 8,402 Ao.
* Ms = 50 ÷ 57 emu/g, HC = 828 ÷ 1751 Oe…
2. Đã tổng hợp được chất lỏng từ ferit gồm:
* Các hạt nano từ CoFe2O4, kích thước trung bình: 25 ÷ 30 nm.
* Chất phủ Oleic.
* Chất lỏng mang ethanol.
* Tỷ lệ mol giữa hạt, dung môi, chất phủ là 1: 170: 6.
* Độ từ hóa bão hòa cao 41 emu/g.
* Độ nhớt 13,62 cst.
* Tỷ trọng: 0,893 mg/l.
3. Đã ứng dụng các hạt nano từ và các hạt chất lỏng từ CoFe2O4 để xử lý mẫu nước bị nhiễm asen, chì, kẽm, niken, sắt với hiệu suất: 99,3 ÷ 100 %.
Đưa ra mô hình xử lý nước hứa hẹn với chi phí thấp.
4. Các hạt nano từ CoFe2O4 này chiếu xạ bằng nguồn bức xạ gamma từ thiết bị SvST-Co60 đã quan sát thấy thay đổi về một số tính chất từ của vật liệu, về độ từ hóa bão hòa, độ từ dư và lực kháng từ.
HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Khảo sát khả năng hấp phụ các kim loại nặng dựa vào:
Kích thước hạt nano từ CoFe2O4.
Thời gian khuấy.
Từ trường lắng.
Thời gian lắng.
Đưa ra điều kiện hấp phụ kim loại nặng tốt nhất.
Dùng hạt nano từ và chất lỏng từ CoFe2O4 để xử lý nước nhiễm kim loại nặng ngoài thực tế.
Dùng chất lỏng từ này để khảo sát cấu trúc đômen từ của vật liệu.
Nghiên cứu ứng dụng vào lĩnh vực y sinh học.


Các kết quả trong luận văn sẽ được báo cáo tại hội nghị Khoa Học Đại Học Quốc Gia TP.HCM tháng 11 năm 2008.
Kết quả này là một phần của bài báo “Researching of absorbability of As and heavy metal of magnetic nano particles coated with Oleic and Chitosan.” sẽ được báo cáo vào ngày 10-13/12/ 2008 tại Hội Nghị Asian Magnetics Conference 2008, Busan, Hàn Quốc.
XIN CHÂN THÀNH CẢM ƠN !