Xem mẫu
T¹p chÝ Hãa häc, T. 45 (6A), Tr. 109 - 114, 2007
Nghiªn cøu ¶nh hëng cña hµm lîng Fe3O4 ®Õn kh¶ n¨ng hÊp thô dÇu cña vËt liÖu copolyme
§Õn Tßa so¹n 15-11-2007
NguyÔn TiÕn Dòng1, NguyÔn V¨n Kh«i2, TrÞnh §øc C«ng2, NguyÔn H÷u TrÞnh3
1Khoa Hãa häc, Tr"êng §¹i häc S" ph¹m H( Néi 2ViÖn Hãa häc, ViÖn Khoa häc v( C«ng nghÖ ViÖt Nam
3Khoa C«ng nghÖ Hãa häc, Tr"êng §¹i häc B¸ch khoa H( Néi
Summary
Oil absorbent nanocomposites were prepared by suspension copolymerization of laurylmethacrylate (LMA) and styrene (St) with and whithout Fe3O4 nanoparticles and divinylbenzene (DVB) crosslinker. The magnetic composite resin can be recovered after conveniently and rapidly absorbing oil by magnetic separation techniques without excluding other mechanical techniques.
I - Më ®Çu
Nghiªn cøu chÕ t¹o vËt liÖu nanocompozit l mét híng nghiªn cøu míi cã nhiÒu triÓn väng c¶ trong níc v trªn thÕ giíi vËt liÖu ny ®îc sö dông rÊt nhiÒu trong nghiªn cøu khoa häc còng nh trong ®êi sèng. VËt liÖu nanocompozit mang h¹t nano Fe3O4 l mét trong nh÷ng vËt liÖu ®8 v ®ang ®îc nghiªn cøu v øng dông trong nhiÒu lÜnh vùc: chÊt dÉn thuèc trong y häc, chÊt láng tõ, vËt liÖu xö lý m«i trêng [1 -3]. Khi sö dông monome l c¸c styren v laurylmetacrylat tæng hîp vËt liÖu nÒn v h¹t nano Fe3O4 ®îc dïng l pha ph©n t¸n th× vËt liÖu ny cã kh¶ n¨ng hÊp thu xö lý c¸c sù cè trn dÇu [4].
Mét sè nghiªn cøu gÇn ®©y cho thÊy h¹t nano Fe3O4 trong thnh phÇn cña c¸c vËt liÖu polyme sÏ lm t¨ng ®é xèp cña vËt liÖu v tèc ®é hÊp thu cña vËt liÖu t¨ng lªn [3]. MÆt kh¸c khi cã mÆt h¹t nano Fe3O4, vËt liÖu sau khi hÊp thô cã thÓ dÔ dng thu håi ®îc nhê tõ trêng. H¹t nano ph©n t¸n trong hÖ polyme còng lm
cho vËt liÖu trë nªn bÒn h¬n do h×nh thnh vËt liÖu compozit víi pha nÒn l c¸c polyme v pha ph©n t¸n l h¹t nano Fe3O4 [4, 5].
Trong nghiªn cøu ny chóng t«i x¸c ®Þnh ¶nh hëng cña h¹t nano Fe3O4 lªn kh¶ n¨ng hÊp thô v thu håi dÇu cña vËt liÖu.
II - Thùc nghiÖm
1. Hãa chÊt
Natriaxetat (NaAc) (Trung Quèc), FeCl2, FeCl3 (Trung Quèc), propandiol 1,2 (Merck), styren(St) (Trung Quèc), laurylmetacrylat (LMA) (Merck), benzoyl peroxit(BPO) (Trung Quèc), divinylbenzene(DVB) (Merck), keo gelatin, c¸c dung m«i ®îc sö dông: toluen (Trung Quèc), dÇu FO (Singapo), x¨ng A92, diezen l c¸c s¶n phÈm s½n cã trªn thÞ trêng.
2. Thùc nghiÖm
H¹t nano Fe3O4 ®îc tæng hîp b»ng ph¬ng ph¸p thuû ph©n cìng chÕ hçn hîp muèi FeCl2, FeCl3 trong dung m«i níc – propandiol 1,2 víi
109
t¸c nh©n thuû ph©n l NaAc ë nhiÖt ®é 160oC trong khÝ quyÓn N2 [6, 7]. H¹t thu ®îc ®em sÊy kh« v ®îc ho¹t hãa bÒ mÆt b»ng axit oleic.
B×nh bèn cæ 250 ml, ¨n khíp víi thiÕt bÞ khuÊy, thiÕt bÞ ®o nhiÖt (bÓ ®iÒu nhiÖt), thiÕt bÞ håi lu, ®êng dÉn khÝ Nit¬ v phÔu nhá giät ®îc t¹o ch©n kh«ng v lÊp ®Çy b»ng nit¬ 3 lÇn.
Ph©n t¸n h¹t nano Fe3O4 (®8 ®îc ho¹t hãa bÒ mÆt) víi c¸c tû lÖ % kh¸c nhau trong hçn hîp ph¶n øng gåm styren, lauryl metacrylat v toluen. Tû lÖ vÒ sè gam monome ®îc lÊy theo nghiªn cøu tríc ®ã LMA:St l 60:40 [8]. Nång ®é monome trong pha dÇu l 40% (theo khèi lîng). Sau ®ã chÊt t¹o líi DVB ®îc thªm vo nång ®é 0,27%.
Dung dÞch níc v chÊt æn ®Þnh huyÒn phï gelatin víi nång ®é 0,33% (theo khèi lîng pha níc) ®îc ®a vo b×nh ph¶n øng (tû lÖ pha níc/monome = 1/7) v nhiÖt ®é cña hçn hîp ph¶n øng ®îc gia nhiÖt tíi nhiÖt ®é ph¶n øng b»ng bÓ ®iÒu nhiÖt. ChÊt kh¬i mo 0,15% (theo khèi lîng monome) ®îc thªm vo hçn hîp monome chØ tríc khi b¾t ®Çu ph¶n øng v ®îc n¹p vo thiÕt bÞ ph¶n øng b»ng phÔu nhá giät. Tèc ®é nhá giät l 10 g/phót. Tèc ®é khuÊy trong qu¸ tr×nh ®ång trïng hîp ®îc duy tr× ë 240 vßng/phót v cho dßng nit¬ nhÑ nhng ®i vo b×nh ph¶n øng. Khi n¹p hÕt monome, tiÕp tôc khuÊy trong 2 giê ë 90oC. hçn hîp ph¶n øng sau ®ã ®îc lm m¸t xuèng nhiÖt ®é phßng trong khi khuÊy. PhÇn dung dÞch láng ®îc g¹n ra khái h¹t, sau ®ã ®îc röa vi lÇn b»ng metanol v cuèi cïng khuÊy trong 30 phót víi 200 ml metanol. S¶n phÈm sau ®ã ®îc läc v lm kh« qua ®ªm trong ch©n kh«ng ë 70oC tíi khèi lîng kh«ng ®æi.
3. Ph¬ng ph¸p ph©n tÝch
- Møc ®é hÊp thô dÇu: Møc ®é hÊp thô dÇu(W) cña vËt liÖu ®îc x¸c ®Þnh b»ng ph¬ng ph¸p träng lîng. C©n mét lîng x¸c ®Þnh (0,1 -0,2 g) chÊt hÊp thô ®8 ®îc sÊy kh« cho vo tói chÌ v ng©n vo trong dÇu ë nhiÖt ®é phßng. Sau mét kho¶ng thêi gian (kho¶ng 4 giê) lÊy tói mÉu ra khái dÇu v ®Ó r¸o hÕt dÇu trong 1 phót. X¸c ®Þnh träng lîng mÉu thu ®îc. HÖ sè hÊp thô dÇu ®îc tÝnh theo c«ng thøc:
g2 g1 g1
Trong ®ã g1 v g2 l khèi lîng chÊt tríc v sau khi hÊp thô dÇu
- ¶nh SEM: ®îc chôp trªn m¸y JEOL JSM – 5410.L.V SEM/EDX – Japan, t¹i trung t©m Khoa häc VËt liÖu (CMS) - §¹i häc Khoa häc Tù nhiªn - §¹i häc Quèc gia H Néi.
4. Nghiªn cøu tÝnh chÊt tõ cña vËt liÖu
Tõ tÝnh cña vËt liÖu sau khi tæng hîp ®îc nghiªn cøu b»ng ph¬ng ph¸p ®o ®êng cong tõ hãa trªn m¸y DMS 880 VSM cña ViÖn Khoa häc VËt liÖu. KÕt qu¶ cña phÐp ®o ny cho chóng ta thÊy tõ tÝnh cña vËt liÖu v kh¶ n¨ng thu håi vËt liÖu sau khi hÊp thô dÇu.
§êng cong tõ hãa cña vËt liÖu cßn cho thÊy tû lÖ h¹t nano Fe3O4 ®i vo trong vËt liÖu cã t¬ng øng víi hm lîng chóng ta ®a vo lóc tæng hîp hay kh«ng dùa trªn so s¸nh tõ ®é b8o ho cña mÉu víi tõ ®é b8o ho cña h¹t nano Fe3O4 ban ®Çu.
TÝnh chÊt nano cña Fe3O4 khi ph©n t¸n trong vËt liÖu còng thÊy ®îc qua kh¶ n¨ng siªu thuËn tõ thÓ hiÖn trªn ®êng cong tõ hãa cña vËt liÖu [6].
III - KÕt qu¶ v- th¶o luËn
1. ¶nh hëng cña h’m lîng Fe3O4 tíi kÝch thíc, tû träng v’ kh¶ n¨ng hÊp thu dÇu cña vËt liÖu
Khi cã h¹t nano Fe3O4 ph©n t¸n trong vËt liÖu, kÝch thíc h¹t, tû träng v kh¶ n¨ng hÊp thô dÇu cña vËt liÖu thay ®æi. Ta cã thÓ thÊy ®îc vÊn ®Ò ny qua c¸c sè liÖu thu ®îc ë b¶ng 1 (sö dông dÇu FO ®Ó thö nghiÖm kh¶ n¨ng hÊp thô).
B¶ng 1 cho thÊy, khi cho h¹t s¾t tõ vo trong copolyme, vËt liÖu thu ®îc cã kÝch cì nhá dÇn, khi hm lîng s¾t tõ t¨ng lªn ®Õn kho¶ng 1% trong polyme th× vËt liÖu trë thnh khèi xèp v kh«ng thÊy ®îc biªn h¹t n÷a. Khi t¨ng hm lîng h¹t nano Fe3O4 th× tû träng cña vËt liÖu còng t¨ng ®¸ng kÓ. Tû träng cña vËt liÖu cã ý nghÜa rÊt lín trong hÊp thô xö lý dÇu, khi tû
110
B¶ng 1: ¶nh hëng cña hm lîng Fe3O4 tíi kÝch thíc, tû träng v kh¶ n¨ng hÊp thô dÇu cña vËt liÖu
Tû lÖ h¹t Fe3O4 (%) trong vËt liÖu
0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2.50
3.00
KÝch thíc vËt liÖu (m)
80 – 130 70 – 100 50 – 90 30 – 80 --
-
Tû träng vËt liÖu (so víi H2O, 4oC) 0,88
0,91 0,94 0,98 1,02 1,05
1,09
Kh¶ n¨ng hÊp thu dÇu c©n b»ng (g/g)
24,4 24,4 24,2 24,1 23,9 23,8
23,7
träng t¨ng nã cã thÓ lm vËt liÖu ch×m trong dÇu v nh vËy cã thÓ sÏ t¨ng tèc ®é v kh¶ n¨ng hÊp thô dÇu cña vËt liÖu. Tuy vËy khi t¨ng tû träng ®Õn mét møc ®é no ®ã th× sÏ lm vËt liÖu bÞ ch×m trong níc v mÊt ý nghÜa xö lý dÇu trn trªn mÆt níc. Còng chÝnh v× vËy chóng t«i kh«ng nghiªn cøu hm lîng h¹t nano Fe3O4 cao h¬n 2% trong vËt liÖu v× víi hm lîng 1,5% h¹t Fe3O4 vËt liÖu ®8 nÆng h¬n níc biÓn cã tû träng l kho¶ng 1,025. Khi t¨ng hm lîng h¹t nano Fe3O4 ta còng thÊy kh¶ n¨ng hÊp thô dÇu cña vËt liÖu gi¶m kh«ng ®¸ng kÓ do
H×nh 1: ¶nh hiÓn vi ®iÖn tö quÐt (SEM) cña copolyme kh«ng cã nano Fe3O4
lîng Fe3O4 ®8 thay thÕ mét phÇn khèi lîng polyme.
2. CÊu tróc h×nh th¸i cña vËt liÖu
Sù thay ®æi hm lîng h¹t nano Fe3O4 lm thay ®æi cÊu tróc h×nh th¸i cña vËt liÖu ®îc nghiªn cøu qua h×nh ¶nh hiÓn vi ®iÖn tö, h×nh 1 l ¶nh hiÓn vi ®iÖn tö quÐt cña vËt liÖu khi kh«ng cã h¹t nano Fe3O4. C¸c h×nh 2,3 v 4 l ¶nh hiÓn vi ®iÖn tö quÐt cña c¸c mÉu cã hm lîng h¹t nano Fe3O4 víi tû lÖ t¨ng dÇn.
H×nh 2: ¶nh hiÓn vi ®iÖn tö quÐt (SEM) cña vËt liÖu nanocopozit cã 1,0% Fe3O4
111
H×nh 3: ¶nh hiÓn vi ®iÖn tö quÐt (SEM) cña vËt liÖu nanocopozit cã 2,0% Fe3O4
Qua c¸c ¶nh hiÓn vi ®iÖn tö ta thÊy, h¹t nano Fe3O4 ®îc ph©n t¸n trong vËt liÖu polyme lm cho vËt liÖu trë nªn xèp h¬n. T¨ng hm lîng h¹t nano Fe3O4 lm t¨ng ®é xèp cña vËt liÖu. Víi cÊu tróc nh vËy, theo chóng t«i kh¶ n¨ng hÊp thô dÇu cña vËt liÖu sÏ rÊt dÔ dng v nhanh chãng ®¹t ®îc tr¹ng th¸i b8o ho dÇu.
H×nh 4: ¶nh hiÓn vi ®iÖn tö quÐt (SEM) cña vËt liÖu nanocopozit cã 3,0% Fe3O4
3. ¶nh hëng cña tû lÖ h¹t nano Fe3O4 tíi kh¶ n¨ng hÊp thô mét sè lo¹i dÇu cña vËt liÖu
Kh¶ n¨ng hÊp thô dÇu cña vËt liÖu trong mét sè dung m«i kh¸c nhau ®îc nghiªn cøu v tr×nh by trªn h×nh 5.
30
20
(LMA/St-Toluen) (LMA/St-X¨ng A92)
10 (LMA/St-Diezen) (LMA/St-FO)
0
0 1 2 3
H’m lîng % Fe3O4 trong vËt liÖu
H×nh 5: ¶nh hëng cña hm lîng Fe3O4 tíi møc ®é hÊp thô dÇu cña vËt liÖu
112
Hm lîng h¹t nano Fe3O4 cã ¶nh hëng tíi kh¶ n¨ng hÊp thô dÇu cña vËt liÖu, khi t¨ng hm lîng Fe3O4 kh¶ n¨ng hÊp thô dÇu cña vËt liÖu gi¶m kh«ng ®¸ng kÓ. Khi h¹t nano Fe3O4 ph©n t¸n trong vËt liÖu, nã ®8 chiÕm mét phÇn khèi lîng cña polyme v chÝnh v× vËt kh¶ n¨ng hÊp thô dÇu cña vËt liÖu gi¶m nhÑ. Kh¶ n¨ng hÊp thô dÇu cña vËt liÖu gi¶m theo thø tù: toluen > x¨ng A92 > diezen > dÇu FO.
4. Kh¶ n¨ng thu håi vËt liÖu b»ng tõ trêng Khi t¨ng hm lîng Fe3O4 trong vËt liÖu,
tÝnh chÊt tõ cña vËt liÖu thay ®æi thÓ hiÖn ë ®êng cong tõ hãa cña v©t liÖu. KÕt qu¶ ®o ®êng cong tõ hãa cña vËt liÖu ®îc thÓ hiÖn ë h×nh 6 v 7, h×nh 6 l ®êng cong tõ hãa cña h¹t nano Fe3O4 ban ®Çu, h×nh 7 l ®êng cong tõ hãa cña c¸c mÉu vËt liÖu polyme nanocompozit víi hm lîng h¹t nano Fe3O4 kh¸c nhau.
2
64 mau7
32 1
0
0
-32
-64 -1
-1.5 104 -1 104 -5000 0 5000 1 104 1.5 104 H(Oe)
(M0.5) (M1.0) (M1.5) (M2.0) (M2.5) (M3.0)
-2
-15000 -10000 -5000 0 + 5000 + 10000 + 15000
H×nh 6: §êng cong tõ hãa cña h¹t nano Fe3O4
Magnetic Field (Oe)
H×nh 7: §êng cong tõ hãa cña vËt liÖu nano-compozit víi nång ®é h¹t nano Fe3O4 kh¸c nhau
Dùa vo ®êng cong tõ hãa cña vËt liÖu ta thÊy, vËt liÖu nanocompozit ®Òu cã tõ tÝnh, nh vËy cã thÓ nãi vËt liÖu ny cã thÓ thu håi sau khi hÊp thô xö lý dÇu. §iÒu ny ®8 ®îc chóng t«i thö nghiÖm b»ng mét nam ch©m b×nh thêng cã thÓ hót dÔ dng vËt liÖu sau khi hÊp thô dÇu ra khái mÆt níc. Tuy nhiªn, víi nång ®é h¹t nano Fe3O4 cao h¬n th× kh¶ n¨ng hÊp thô vËt liÖu còng dÔ dng h¬n. §êng cong tõ hãa còng cho ta thÊy, tõ ®é b8o ho cña h¹t nano Fe3O4 kho¶ng 64 emu/g (h×nh 6), ®êng cong tõ hãa cã d¹ng cña vËt liÖu siªu thuËn tõ (HC = 0) tõ t¹i nhiÖt ®é phßng (300 K). T¬ng tù nh vËy ta thÊy ®êng cong tõ hãa cña vËt liÖu nanocompozit còng thÓ hiÖn tÝnh siªu thuËn tõ. VËt liÖu nanocompozit cã cho 1% Fe3O4 mÉu M1.0 (h×nh 7) cã tõ ®é b8o ho kho¶ng 0,55 emu/g thÊp h¬n so víi 1% cña h¹t nano Fe3O4 ban ®Çu. §iÒu ny cã thÓ gi¶i thÝch l do cã thÓ h¹t nano Fe3O4 mét phÇn nhá kh«ng tham gia
vo trong cÊu tróc polyme hoÆc mét phÇn do qu¸ tr×nh h×nh thnh vËt liÖu cã gia nhiÖt v tiÕp xóc víi kh«ng khÝ Fe3O4 ®8 bÞ chuyÓn hãa mét phÇn sang d¹ng -Fe2O3 cã ®é b8o ho momen tõ thÊp h¬n. H×nh 7 còng cho ta thÊy ®êng cong tõ hãa cña c¸c mÉu vËt liÖu nanocompozit kh¸c, so s¸nh c¸c mÉu víi nhau ta thÊy víi tû lÖ s¾t tõ ®i vo kh¸c nhau, ®é b8o ho momen tõ còng kh¸c nhau t¬ng ®èi ®ång ®Òu phï hîp víi nång ®é cña h¹t nano Fe3O4 trong vËt liÖu. §iÒu ny dÉn ®Õn ta cã thÓ kh¼ng ®Þnh h¹t nano Fe3O4 ®8 ®îc ph©n t¸n t¬ng ®èi ®ång ®Òu trong vËt liÖu.
IV - KÕt luËn
VËt liÖu nanocompozit víi nÒn l copolyme cña LMA v St, pha ph©n t¸n l nano Fe3O4 cã thÓ tæng hîp ®îc b»ng ph¬ng ph¸p ®ång trïng
113
...
- tailieumienphi.vn
nguon tai.lieu . vn