Tổng hợp hạt nano Silica từ tro vỏ trấu bằng phương pháp kết tủa

 

Sản phẩm bột nano silica trên được đem đo nhiễu xạ tia X (XRD), tán sắc năng lượng (EDS), quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier để xác định cấu trúc mạng; thành phần pha, nguyên tố và mẫu được đem chụp ảnh hiển vi điện tử quét (FESEM); ảnh hiển vi điện tử truyền qua (TEM) xác định kích thước hạt, hình thái học. Kết quả, những hạt nano SiO2 chế tạo được có pha vô định hình và kích thước hạt trung bình khoảng 15 nm.

Hiện nay, vật liệu phế phẩm của nông nghiệp có những tiềm năng; phạm vi ứng dụng rộng rãi trong thực tiễn như xơ dừa, rơm rạ, bã mía sử dụng làm chất đốt; phân bón, vật liệu xử lý nước thải, sản xuất điện. Vỏ trấu được ứng dụng chế tạo làm củi trấu; trấu viên dùng cho các lò hơi công nghiệp thay cho than đá hoặc lò gas có công suất lớn tại các khu công nghiệp. Trong nước, nhiều nhà sản xuất và nhà nghiên cứu sử dụng vỏ trấu để làm củi trấu; gỗ, thiết bị lọc nước và làm điện cực cho pin Lithium-ion.

Ngoài ra, vỏ trấu còn có khả năng ứng dụng nhiều vào trong các lĩnh vực xây dựng và công nghiệp như chế tạo ra gạch; bê tông siêu nhẹ (tro vỏ trấu thay thế khoảng 20% xi măng thì sẽ mang lại hiệu quả rất cao cho bê tông); vật liệu bảo ôn (cách nhiệt và chống cháy). Vật liệu này khi đốt cháy tạo ra khí sinh khối có thể sản xuất ra điện; nhiệt để sấy nông sản.

Đặc biệt, silica trong tro vỏ trấu có thể dùng để chế tạo bê tông; gạch bê tông siêu nhẹ không nung để sử dụng trong lĩnh vực xây dựng. Gạch bê tông siêu nhẹ không nung, sau khi chế tạo có các tính năng ưu việt như nhẹ, cách nhiệt, cách âm tốt; tính chịu nhiệt, khả năng chịu chấn động tốt, dễ chế tạo, thân thiện với môi trường.

Vỏ trấu được rửa sạch, phơi khô, đem nung ở nhiệt độ từ 500o C (mẫu 1); 600oC (mẫu 2) và 700oC (mẫu 3) trong thời gian 4 h thu được tro trấu có màu trắng xám. Tro trấu để nguội đem nghiền mịn bằng cối thủy tinh và cân 10 g cho vào cốc thủy tinh 500 mL, tiếp tục cho vào cốc 100 mL NaOH nồng độ 3N. Tiến hành đun hỗn hợp trên bằng máy khuấy từ gia nhiệt trong thời gian 1 h ở nhiệt độ ~200oC.

Trong quá trình đun, khuấy, cho thêm nước khử ion vào để giữ nguyên thể tích hỗn hợp ban đầu. Sau khi đun xong, thêm từ từ 100 mL nước khử ion vào cốc; tiếp tục khuấy ở nhiệt độ phòng trong thời gian khoảng 20 phút để làm nguội hỗn hợp. Tiến hành lọc dung dịch 3 lần bằng giấy lọc, thu được dung dịch có màu vàng nhạt. Toàn bộ dung dịch sau khi lọc cho vào cốc 500 mL rồi khuấy từ; đồng thời cho dung dịch HCl 2,5N từ từ vào cốc đến cho đến khi dung dịch trong cốc có độ pH 6 và kết tủa trắng thì ngừng khuấy.

Dung dịch kết tủa trắng thu được quay li tâm với tốc độ 5500 vòng/phút; trong khoảng thời gian 5 – 15 phút, để tách chiết mẫu ra khỏi dung dịch. Sau đó rửa mẫu thu được bằng nước khử ion nhiều lần và ethanol 2 lần. Bột ướt thu được sau đó được sấy khô ở trong môi trường chân không (10-2  10-3 Torr) khoảng 20 h; sản phẩm nhận được cuối cùng là bột khô màu trắng, mẫu bột khô thu được là những hạt nano SiO2.

Cấu trúc pha và thành phần pha của sản phẩm chế tạo được khảo sát bằng máy nhiễu xạ tia X; Bruker D8 Advance (Cu Kα λ = 0,154046 nm), hoạt động ở 40 kV/40 mA. Tốc độ quét 0,02º s-1, tại Trung tâm Khoa học Vật liệu; Trường Đại học Khoa học Tự nhiên; Đại học Quốc gia Hà Nội. Hình thái học và kích thước hạt của mẫu bột được xác định bằng ảnh hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FESEM-JEOL-7600F, 15 kV-Japan); tại Phòng thí nghiệm Lanopel, viện AIST; Đại học Bách Khoa Hà Nội và ảnh hiển vi điện tử truyền qua (TEM-JEM1010; M=x50 – x600.000, =3A0, U=40-100 kV); tại Phòng vi cấu trúc của Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương, Hà Nội. Phổ hồng ngoại Fourier (Nicole 6700- FTIR) được đo tại Khoa Khoa học Tự nhiên, Trường Đại học Cần Thơ.

Kết quả nhiễu xạ tia X của mẫu bột nano SiO2 nhận được sau quá trình tổng hợp từ vỏ trấu được nung ở nhiệt độ 500oC (đường 1); 600oC (đường 2) và 700oC (đường 3) được trình bày trên Hình 1. Dựa vào Hình 1, chúng tôi thấy giản đồ nhiễu xạ tia X được đặc trưng bởi một đỉnh nhiễu xạ có độ rộng bán phổ lớn nằm ở giữa 22o
và 23o (2θ); chứng tỏ những hạt có kích thước nhỏ và cường độ yếu cho thấy rằng mẫu gần như vô định hình. Độ
rộng bán phổ của những đỉnh nhiễu xạ (đường 1) (đường 2) và (đường 3) có giá trị gần như nhau, không thay đổi nhiều lắm, cho thấy rằng những hạt nano SiO2 nhận được của 3 mẫu có kích thước gần giống nhau.

 

Hình 1: Giản đồ nhiễu xạ tia X của nano SiO2 tổng hợp từ vỏ trấu nung từ 500-700oC, trong thời gian 4h

Dựa vào giản đồ nhiễu xạ tia X và công thức Debye-Sherrer D = 0,9λ/β cosθ; với λ là bước sóng nhiễu xạ tia X; β là độ bán rộng cực đại của vạch nhiễu xạ cao nhất; θ là góc nhiễu xạ. Chúng tôi tính được kích thước của nano SiO2 của mẫu 1, 2 và 3 được biểu diễn ở Bảng 1. Từ kết quả này (Bảng 1) cho thấy kích thước nano SiO2 của những mẫu này thay đổi không nhiều. Điều này chứng tỏ kích thước nano SiO2 không phụ thuộc vào nhiệt độ nung vỏ trấu.

Bảng 1: Kích thước trung bình của hạt nano SiO2 được tổng hợp bằng phương pháp kết tủa

 

Mẫu 3 được đo phổ tán sắc năng lượng (EDS), kết quả được biểu diễn trên Hình 2. Từ đây cho thấy các nguyên tố thành phần xuất hiện trong mẫu gồm các nguyên tố như Silic (Si); ôxy (O) là các thành phần chính của các hạt nano SiO2. Thành phần nguyên tố ôxy chiếm tỉ lệ phần trăm trọng lượng (57%) lớn hơn Silic (43%) trong mẫu. Các nguyên tố có trong phổ EDS đúng như các thành phần đã đưa vào trong quá trình tổng hợp.

 

Ảnh hiển vi điện tử quét của mẫu bột nano SiO2 được tách chiết từ vỏ trấu; được nung ở nhiệt độ 500oC trong thời gian 4 h (mẫu 1) biểu diễn ở hình 3. Kích thước trung bình của các hạt nano SiO2 này khoảng 10 nm; lớn hơn kích thước được tính bằng công thức Debye–Sherrer là ~3 nm. Kết quả đo được không phù hợp với kích thước hạt được tính toán dựa trên giản đồ nhiễu xạ tia X như đã trình bày ở trên; là do kích thước tính trên ảnh FESEM là kích thước hạt; còn kích thước dựa trên giản đồ nhiễu xạ tia X là kích thước tinh thể.

 

Hình 4a là ảnh FESEM của mẫu bột nano SiO2 được chế tạo bằng phương pháp kết tủa từ vỏ trấu; được nung ở nhiệt độ 600oC (mẫu 2) và ở nhiệt độ 700 oC (mẫu 3) trong thời gian 4 h.

Hình thái học của những hạt nano SiO2 của hai mẫu trên đều có dạng hạt; kích thước trung bình gần như nhau, khoảng 10 – 15 nm; lớn hơn một chút so với kích thước hạt của mẫu 1; dường như các hạt kết đám lại nhau cho nên thấy những đám hạt có dạng xốp.

 

Ảnh hiển vi điện tử truyền qua của mẫu bột nano SiO2 nung ở nhiệt độ 500oC, trong thời gian 4h; được mô tả ở Hình 5. Kết quả, chúng tôi thấy kích thước hạt trung bình khoảng 10 nm, không đồng đều nhau; tương ứng với kết quả kích thước hạt của mẫu đo ảnh FESEM ở trên Hình 3; hình như các hạt kết tụ lại với nhau hình thành nên những đám hạt.

 

 

 

Hình 6 là ảnh TEM của mẫu bột nano SiO2 được nung ở nhiệt độ 600 oC (a) ; 700 oC (b) trong thời gian 4 h, kích thước hạt của hai mẫu trên gần giống nhau; khoảng 10-20 nm tương ứng với kích thước hạt của những mẫu trên ở Hình 4. Những hạt nano silica này có xu hướng kết tụ lại với nhau tạo thành một đám hạt có dạng xốp.

Phổ hồng ngoại của hạt nano SiO2 được tách chiết từ vỏ trấu được nung ở 500; 600 oC và tro của vỏ trấu được nung 600 o C trong thời gian 4 h. Kết quả, phổ FTIR cho thấy những hạt nano silica (Hình 7a,b); và tro của vỏ trấu (Hình 7c) đều có đỉnh phổ tại số sóng 801; 1100 cm-1 là do mode đối xứng và bất đối xứng của liên kết Si-O-Si.

 

Đỉnh phổ có tâm tại 469 cm-1 là do mode uốn của Si-O-Si; và đỉnh phổ có số sóng tại 3456 cm-1 là do sự hiện diện dao động kéo dãn nhóm O-H của nhóm silanol để duy trì sự hấp thụ nước. Vùng phổ có số sóng 1640 cm-1 là do dao động uốn của phân tử nước (O-H) bao quanh ma trận silica (Le Van Hai et al., 2013; Rafiee Ezzat et al., 2012). Đỉnh có số sóng tại 2365 cm-1 dao động của P-H của axit photphoric có trong mẫu; không có đỉnh nào tìm thấy ở giữa số sóng 2,500 và 3000 cm-1; chứng tỏ là không có hợp chất gốc hữu cơ trong bột silica (Rafiee Ezzat et al., 2012). Một lần nữa, cho thấy những hạt nano silica tổng hợp được có trạng thái vô định hình.

Chúng tôi đã chế tạo được các hạt nano SiO2 bằng phương pháp kết tủa từ vỏ trấu được nung ở nhiệt độ 500 – 700 o C. Các kết quả phân tích giản đồ nhiễu xạ tia X; FTIR cho thấy các hạt nano SiO2 đều có cấu trúc pha vô định hình. Những hạt nano SiO2 có hình thái dạng hạt và kích thước trung bình ~ 15 nm. Những hạt nano trên kết tụ lại thành những đám hạt có kích thước lớn hơn và có dạng xốp; do nó tính chất xốp và diện tích bề mặt riêng lớn cho nên có khả năng ứng dụng trong lĩnh vực vật liệu xây dựng; đặc biệt là gạch bê tông nhẹ không nung.\

Nghiên cứu trên được tài trợ bởi quỹ nghiên cứu khoa học cơ bản cấp Trường Đại học Cần Thơ; đề tài mã số T2013-20.