SlideShare a Scribd company logo
1 of 87
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA CÔNG NGHỆ
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
TỔNG HỢP BỘT HA TỪ VỎ SÒ VÀ THỬ
NGHIỆM HOẠT TÍNH HẤP PHỤ VỚI
ION ĐỒNG (II)
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN SV THỰC HIỆN:
Thầy Nguyễn Việt Bách Huỳnh Ngọc Nê MSSV: 2102375
Ngành: Công nghệ hóa học-Khóa 36
Tháng 12/2014
Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách
S
MỤC LUC
MỤC LUC...............................................................................................................................ii
TÓM TẮT .............................................................................................................................. vi
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................................vii
DANH MỤC HÌNH........................................................................................................... viii
DANH MỤC BẢNG...............................................................................................................x
LỜI NÓI ĐẦU......................................................................................................................xii
CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU VỀ HYDROXYAPATITE ................................................1
1.1 Tính chất của Hydroxyapatite ........................................................................1
1.1.1 Tính chất vật lý ...........................................................................................1
1.1.2 Tính chất hóa học .......................................................................................2
1.1.3 Tính chất sinh học ......................................................................................3
1.2 Ứng dụng của bột HA .......................................................................................4
1.2.1 Ứng dụng của HA dạng bột......................................................................4
1.2.2 Ứng dụng của HA dạng khối xốp............................................................5
1.2.3 Ứng dụng của HA dạng composit...........................................................5
1.2.4 Ứng dụng của HA trong hấp phụ các ion kim loại nặng...................6
1.2.5 Ứng dụng của HA dạng ceramic.............................................................6
1.3 Các phương pháp tổng hợp vật liệu HA.......................................................6
1.3.1 Phương pháp sol – gel................................................................................6
1.3.2 Phương pháp điện hóa............................................................................ 10
1.3.2.1 Phương pháp kết tủa catot............................................................. 10
1.3.2.2 Phương pháp anot hóa.................................................................... 10
1.3.2.3 Phương pháp điện di....................................................................... 11
1.3.3 Phương pháp thủy nhiệt ........................................................................ 11
1.3.4 Phương pháp phản ứng pha rắn:......................................................... 17
1.3.5 Phương pháp hóa – cơ ............................................................................ 18
1.4 Một số phương pháp nghiên cứu vật liệu HA........................................... 19
Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách
SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang ii
1.4.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD, X – Ray)................................... 19
1.4.2 Phương pháp hiển vi điện tử SEM ...................................................... 22
CHƯƠNG II: ĐẠI CƯƠNG VỀ KIM LOẠI NẶNG.................................................. 23
2.1 Kim loại nặng................................................................................................... 23
2.1.1 Khái niệm.................................................................................................. 23
2.1.2 Tính chất của kim loại nặng.................................................................. 23
2.1.3 Giới thiệu về ion đồng và độc tính của đồng ..................................... 24
2.1.3.1 Ion đồng (Cu2+)................................................................................. 24
2.1.3.2 Độc tính của đồng ............................................................................ 24
2.2 Lý thuyết về hấp phụ...................................................................................... 25
2.2.1 Hiện tượng hấp phụ................................................................................ 25
2.2.2 Phân loại các quá trình hấp phụ .......................................................... 25
2.2.3 Cân bằng hấp phụ ................................................................................... 26
2.2.4 Dung lượng hấp phụ cân bằng ............................................................. 26
2.2.5 Hiệu suất hấp phụ.................................................................................... 27
2.2.6 Mô hình động học hấp phụ.................................................................... 27
2.2.7 Các phương trình đẳng nhiệt hấp phụ ............................................... 27
2.2.7.1 Phương trình Freundlich............................................................... 28
2.2.7.2 Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Henry................................... 28
2.2.7.3 Phương trình Langmuir................................................................. 28
CHƯƠNG III: THỰC NGHIỆM .................................................................................... 31
3.1 Hóa chất, nguyên liệu và dụng cụ thiết bị ................................................. 31
3.1.1 Hóa chất..................................................................................................... 31
3.1.2 Nguyên liệu................................................................................................ 31
3.1.3 Dụng cụ...................................................................................................... 33
3.1.4 Thiết bị....................................................................................................... 33
3.2 Đia điểm và thời gian thực hiện................................................................... 33
3.3 Tổng hợp bột HA ............................................................................................ 33
3.3.1 Qui trình tạo bột CaO từ vỏ sò............................................................. 33
3.3.2 Quy trình điều chế HA được mô tả như sau ..................................... 35
Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách
SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang iii
3.3.3 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ chất phản ứng đến chất lượng
bột HA........................................................................................................................... 36
3.3.4 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến chất lượng của
bột HA........................................................................................................................... 37
3.3.5 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến chất lượng của bột HA
......................................................................................................................................... 37
3.4 Nghiên cứu hấp phụ ....................................................................................... 37
3.4.1 Chuẩn bị hóa chất và dung dịch........................................................... 38
3.4.2 Cách phân tích xác định nồng độ ion Cu2+ ........................................ 38
3.4.3 Phương pháp nghiên cứu quá trình hấp phụ.................................... 39
3.4.5 Các vấn đề khảo sát................................................................................. 40
3.4.5.1 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian hấp phụ Cu2+ ..................... 40
3.4.5.2 Khảo sát đông học hấp phụ Cu2+ the mô hình Langmuir ...... 40
3.4.5.3 Khảo sát hàm lượng HA đến khả năng hấp phụ Cu2+ ............ 41
3.4.5.4 Khảo sát ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ Cu2+ ..... 42
CHƯƠNG IV: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN............................................................... 43
4.1 Tổng hợp bột HA ............................................................................................ 43
4.1.1 Quy trình tổng hợp bột HA................................................................... 43
4.1.2 Nghiên cứu ảnh hưởng nồng độ tác chất đến sự hình thành HA . 43
4.1.3 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến sự hình thành HA
......................................................................................................................................... 45
4.1.4 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến sự hình thành HA.... 47
4.1.5 Xác định hình thái và kich thước hạt thông qua ảnh SEM .......... 49
4.2 Khảo sát hấp phụ ion Cu2+............................................................................ 50
4.2.1 Khảo sát ảnh hưởng thời gian đến quá trình hấp phụ Cu2+ .......... 50
4.2.2 Nghiên cứu hấp phụ đẳng nhiệt theo mô hình Langmuir.............. 51
4.2.3 Khảo sát ảnh hưởng lượng chất hấp phụ HA đến quá trình hấp
phụ Cu2+........................................................................................................................ 54
4.2.4 Khảo sát ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ ion Cu2+ ...... 55
CHƯƠNG V: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................ 57
5.1 Kết luận ............................................................................................................. 57
Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách
SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang iv
5.1.1 Tổng hợp bột HA..................................................................................... 57
5.1.2 Khảo sát hấp phụ ion Cu2+ .................................................................... 57
5.2 Kiến nghị........................................................................................................... 57
LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................................... 59
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 60
Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách
SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang v
Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách
SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang vi
TÓM TẮT
Trong luận văn này tập trung nghiên cứu một số điều kiện tổng hợp HA theo
phương pháp kết tủa từ nguyên liệu rẻ tiền và có nguồn cung cấp dồi dào là vỏ sò tự
nhiên và axit photphoric. Kết quả đã tồng hợp được bột HA đơn pha, có kich thước hạt
tinh thể tương đối đồng điều với đường kính hạt thay đổi trong khoảng 91,3 – 145 nm,
dài khoảng 91,3 – 187 nm
Vỏ sò sau khi thu gom được rửa sạch và sấy khô. Vỏ sò sau khi đã rửa sạch và
sấy khô được nghiền mịn trong máy nghiền bi. Sau quá trình nghiền bột vỏ sò được
nung ở nhiệt độ 900 C trong 3 giờ để đảm bảo CaCO3 phân hủy hoàn toàn thành
CaO. Bột CaO được bảo quản trong hộp nhựa kín dùng làm nguyên liệu tổng hợp HA.
Cân một lượng bột CaO thích hợp cho vào 100 ml nước cất khuấy khoảng 30
phút, cho phản ứng với axit phosphoric ứng với các nồng độ mol khảo sát ( CaCO3 2M
– H3PO4 1,2M; CaCO3 1,5M – H3PO4 0,9 M; CaCO3 0,5M – H3PO4 0,3M; CaCO3
0,15M – H3PO4 0,09M) trong 4 giờ tại các nhiệt độ nghiên cứu (30 C, 60 C, 90 C),
pH của môi trường phản ứng được giữ khoảng 10 – 12 bằng dung dịch NH3 25%. Sau
đó già hóa dung dịch trong 72 tiếng, đem lọc chân không rồi sấy khô ở nhiệt độ
khoảng 60 trong khoảng 72 giờ. Tiếp theo sản phẩm sau phản ứng được nung tại các
nhiệt độ khảo sát (100 C, 500 C, 700 C, 900 C, 1100 C) trong 4 giờ. Bột HA
được tổng hợp ở nồng độ tác chất phản ứng CaCO3 0,5M – H3PO4 0,3M, nhiệt độ phản
ứng 90 C, nhiệt độ nung 900 C là tốt ưu. Để phân tích và đánh giá bột HA sử dụng
các phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD), hiển vi điện tử (SEM).
Bột HA tinh khiết được tiến hành nghiên cứu hấp phụ với ion Cu2+. Từ kết quả
thí nghiệm cho thấy thời gian hấp phụ tốt nhất đối với ion Cu2+ là 4 giờ. Cơ chế hấp
phụ tuân theo phương trình đẳng nhiệt Langmuir với dung lượng hấp phụ cực đại là
45,87 mg/g. Hàm lượng hấp phụ tốt nhất của bột HA là 200 mg trong 100 ml dung
dịch ion Cu2+ nồng độ196,693 mg/L . Giá trị pH hiệu quả nhất trong quá trình hấp phụ
ion Cu2+ là 5.
Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách
SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang vii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
ASTM (American Society for Testing and Materials): hiệp hội vật liệu và thử
nghiệm Hoa Kỳ
– TCP: Beta Tri – Calcium phosphate
JCPDS (Joint Committee on Powder Diffraction Standards): thẻ tiêu chuẩn về
giản đồ nhiễu xạ tia X
SBF (Simulated Body Fluid): dung dịch sinh học nhân tạo
SEM (Scanning Electron Microcope): kính hiển vi điện tử quét
XRD (X – ray Diffraction): phổ nhiễu xạ tia X
Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách
SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang viii
DANH MỤC HÌNH
Hình 1-1 Các dạng tồn tại của tinh thể HA, (a) dạng hình que, b) dạng hình trụ,
(c) dạng hình cầu, (d) dạng hình sợi, (e) dạng hình vảy, (f) dạng hình kim (Vũ Thị
Diệu, 2009) ...............................................................................................................................1
Hình 1-2 Cấu trúc ô mạng cơ sở của tinh thể HA, (a) dạng lục phương, (b) dạng
đơn tà ........................................................................................................................................2
Hình 1-3 Công thức cấu tạo của phân tử HA ..................................................................2
Hình 1-4 Thuốc bổ sung canxi sử dụng nguyên liệu HA dạng vi tinh thể.................5
Hình 1-5 Sơ đồ nguyên lý của phương pháp Sol – Gel..................................................7
Hình 1-6 Quá trình tổng hợp HA bằng phương pháp sol – gel từ Ca(NO3)2.4H2O
và (NH4)2HPO4 ........................................................................................................................8
Hình 1-7 Quá trình tổng hợp HA bằng phương pháp Sol – Gel từ H3PO4 và
Ca(NO3)2.4H2O .................................................................................................................... 10
Hình 1-8 Sơ đồ nguyên lý của phương pháp điện di ................................................... 11
Hình 1-9 Sơ đồ nguyên lý của phương pháp kết tủa................................................... 14
Hình 1-10 Tổng hợp HA bằng phương pháp kết tủa từ Ca(OH)2 và H3PO4......... 15
Hình 1-11 Điều chế HA dạng bột từ Ca(NO3)24H2O và (NH4)2HPO4 ..................... 16
Hình 1-12 Sơ đồ tổng hợp HA dạng bột......................................................................... 17
Hình 1-13 Sơ đồ nguyên lý, cấu tạo thiết bị của phương pháp nhiễu xạ tia X ...... 19
Hình 1-14 Giản đồ nhiễu xạ tia X của HA..................................................................... 21
Hình 1-15 Giản đồ nhiễu xạ tia X của HA và TCP...................................................... 21
Hình 1-16 Giản đồ nhiễu xạ tia X của HA và TCP...................................................... 22
Hình 2-1 Đường hấp phụ đẳng nhiệt Languir.............................................................. 29
Hình 2-2 Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb ...................................................................... 30
Hình 3-1 Nguyên liệu vỏ sò được rửa sạch .................................................................... 31
Hình 3-2 Ảnh SEM của vỏ sò tự nhiên với độ phóng đại khác nhau....................... 32
Hình 3-3 Quy trình điều chế bột CaO ............................................................................ 34
Hình 3-4 Bột CaO tạo từ vỏ sò ......................................................................................... 34
Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách
SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang ix
Hình 3-5 (a) mô hình tạo bột HA bằng phản ứng thủy nhiệt, (b) già hóa hỗn hợp
huyền phù sau phản ứng, (c) sản phẩm sau khi lọc và sấy khô ................................ 35
Hình 3-6 Quy trình tổng hợp bột HA ............................................................................. 36
Hình 3-7 Quá trình hấp phụ ion Cu2+ bằng bột HA.................................................... 38
Hình 3-8 Bột HA trước và sau quá trình hấp phụ....................................................... 38
Hình 3-9 Sự thay đổi màu sắc trong quá trình chuẩn độ (A) màu dung dịch Cu2+
ban đầu, (B) màu dung dịch Cu2+ khi cho chất chỉ thị Murexit vào, (C) màu dung
dịch Cu2+ khi cho NH3 vào, (D) màu dung dịch Cu2+ sau khi chuẩn độ với EDTA
................................................................................................................................................. 39
Hình 4-1 Ảnh hưởng của nồng độ tác chất đến độ tinh khiết của HA được điều
chế ở các nồng độ (a) Ca(OH)2 0,015 M - H3PO4 0,09 M; (b) Ca(OH)2 0,5 M -
H3PO4 0,3 M; (c) Ca(OH)2 0,15 M - H3PO4 0,9 M; (d) Ca(OH)2 2 M - H3PO4 1,2 M
................................................................................................................................................. 44
Hình 4-2 Ảnh hưởng nhiệt độ phản ứng đến độ tinh khiết của HA (a) 30C, (b) 60
C, (c) 90 C.......................................................................................................................... 45
Hình 4-3 Ảnh hưởng nhiệt độ đến sự hình thành tinh thể HA (a) 100 C, (b) 500
C, (c) 700 C, (d) 900 C, (e) 1100 C............................................................................ 48
Hình 4-4 Bột HA tổng hợp bằng phương pháp kết tủa.............................................. 48
Hình 4-5 Ảnh SEM của mẫu bột HA tổng hợp ở nhiệt độ phản ứng 90 C, nhiệt
độ nung 900 C và nồng độ Ca(OH)2 0,5 M và H3PO4 0,3 M.................................... 49
Hình 4-6 Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến dung lượng hấp phụ ion Cu2+ 50
Hình 4-7 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir đối với Cu2+ ................................... 52
Hình 4-8 Dạng tuyến tính của phương trình hấp phụ Langmuir ............................ 53
Hình 4-9 Ảnh hưởng hàm lượng HA đến dung lượng hấp phụ ion Cu2+ ............... 54
Hình 4-10 Ảnh hưởng hàm lượng HA đến dung lượng hấp phụ ion Cu2+ ............. 55
Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách
SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang x
DANH MỤC BẢNG
Bảng 3-1 Thành phần nguyên tố và hàm lượng CaCO3 của vỏ sò........................... 32
Bảng 3-2 Các thông số thực nghiệm của nồng độ chất phản ứng khảo sát............ 36
Bảng 3-3 Các thông số thực nghiệm của nhiệt độ khảo sát ....................................... 37
Bảng 3-4 Các thông số thực nghiệm của nhiệt độ nung cần khảo sát ..................... 37
Bảng 4-1 Ảnh hưởng thời gian đến quá trình hấp phụ Cu2+..................................... 50
Bảng 4-2 Mối quan hệ của dung lượng hấp phụ vào nồng độ đầu Cu2+ ................. 51
Bảng 4-3 Các thông số của phương trình Langmuir................................................... 53
Bảng 4-4 Ảnh hưởng của lượng HA đến khả năng hấp phụ ion Cu2+..................... 54
Bảng 4-5 Ảnh hưởng của lượng HA đến khả năng hấp phụ ion Cu2+..................... 55
Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách
SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang xi
Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách
SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang xii
LỜI NÓI ĐẦU
Do sự pháp triển nhanh chóng của khoa học, kỹ thuật và sự tăng dân số mà hiện
nay vấn đề ô nhiễm môi trường nước đang trở thành vấn nạn của nhiều quốc gia. Một
trong những nguyên nhân chủ yếu đó là các chất thải công nghiệp và các chất thải sinh
hoạt chứa các kim loại nặng như Cu, Zn, Pb, Ni,...và những hợp chất hữu cơ độc hại.
Đặc biệt là sự thải bỏ các chất thải rắn và nước thải của các hoạt động khai thác mỏ,
công nghiệp thuộc da, công nghiệp điện tử, mạ điện, lọc hóa dầu hay công nghiệp dệt
nhộm,… ngày càng gây ô nhiễm trầm trọng môi trường nước. Ở nước ta, quá trình
phát triển các khu công nghiệp, các khu chế xuất đã góp phần tăng trưởng kinh tế, thúc
đẩy đầu tư và sản xuất công nghiệp, góp phần hình thành các khu đô thị mới,.... Tuy
nhiên, bên cạnh sự chuyển biến tích cực của kinh tế là những tác động xấu đến môi
trường sinh thái do các khu công nghiệp gây ra. Thực tế, hiện nay có rất nhiều nhà
máy ở các khu công nghiệp vẫn hằng ngày thải trực tiếp nước thải có chứa các ion kim
loại nặng với hàm lượng vượt quá giới hạn cho phép ra môi trường. Hậu quả là môi
trường nước kể cả nước mặt và nước ngầm ở nhiều khu vực đang bị ô nhiễm kim loại
nặng nghiệm trọng.
Do đó, nhiều nhà khoa học đã và đang nghiên cứu tách các ion kim loại nặng và
hợp chất hữu cơ độc hại từ các nguồn nước bị ô nhiễm nhằm bảo vệ sức khỏe cộng
đồng và sự phát triển bền vững của môi trường sinh thái. Đã có nhiều phương pháp
được sử dụng như: phương pháp hóa lý (phương pháp hấp phụ, phương pháp trap đổi
ion,…), phương pháp sinh học, phương pháp hóa học,… Trong đó, phương pháp hấp
phụ được sử dụng rộng rãi do có nhiều ưu điểm như xử lý nhanh, dễ chế tạo thiết bị và
đặc biệt là có thể tái sử dụng vật liệu hấp phụ. Hơn nữa việc chế tạo các vật liệu hấp
phụ từ các nguồn nguyên liệu rẽ tiền và có nguồn gốc tự nhiên như các loại phế thải từ
nông nghiệp, nuôi trồng hải sản đang quan tâm hơn cả.
Nước ta nằm trong khu vực Đông Nam Á, với đường bờ biển được kéo dài từ
Bắc xuống Nam, nên việc nuôi trồng và chế biến hải sản cũng pháp triển mạnh, bên
cạnh đó, một lượng lớn các chất thải từ loại hình này bị thải bỏ từ các bãi biển, cũng
như các cơ sở nuôi trồng đánh bắt và chế biến hải sản, gây mất vẻ mỹ quan đô thị
trong khu vực, cũng như ảnh hưởng đến môi trường sinh thái. Do đó, việc tận dụng các
Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách
SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang xiii
nguồn nguyên liệu này để điều chế thành các vật liệu xử lý môi trường không những
giải quyết được vấn đề tận dụng các phế thải chế biến thủy sản, tăng giá trị sản xuất,
nuôi trồng thủy sản mà còn chế tạo vật liệu thân thiên môi trường và chi phí thấp.
HA tự nhiên và nhân tạo ở các dạng (bột, xốp, màng mỏng) đều là những vật liệu
có tính tương thích sinh học cao, đang được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực y học bởi
nó có những đặc tính quý giá như: các lỗ xốp liên thông với nhau làm cho các mô sợi,
mạch máu dễ dàng xâm nhập, tính tương thích sinh học cao với các tế bào và mô, có
tính dẫn xương tốt, tạo liên kết trực tiếp với xương non dẫn đến sự tái sinh xương
nhanh mà không bị cơ thể đào thải. Bên cạnh những ứng dụng tuyệt vời trong lĩnh
vực y học. Hiện này, HA còn được nghiên cứu ứng dụng xử lý nước thải, do khả năng
hấp phụ tốt các ion kim loại nặng.
Từ những vấn đề trên, tôi chọn đề tài: “Điều chế bột HA từ vỏ sò và thử nghiệm
hoạt tính hấp phụ với ion đồng (II)”
Với những mục tiêu đề ra, đề tài nghiên cứu các nội dung sau:
 Điều chế bột HA từ vỏ sò.
 Khảo sát khả năng hấp phụ ion Cu2+ của vật liệu hấp phụ bột HA.
Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách
SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 1
CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU VỀ HYDROXYAPATITE
1.1 Tính chất của Hydroxyapatite
1.1.1 Tính chất vật lý
Hydroxyapatite (HA) là tinh thể có màu vàng nhạt, trắng ngà, trắng hoặc xanh lơ,
tùy theo điều kiện hình thành, kích thước hạt và trạng thái tập hợp. HA có khối lượng
phân tử 1004,60 g, tỷ trọng riêng là 3,156 g/cm3 , nhiệt độ nóng chảy 1760 C, nhiệt độ
sôi 2850 C, độ cứng theo thang Mohs bằng 5 và tích số tan là 2,12.10-118 (D W.
Fowler, 2004, Nguyễn Văn Hường, 2011).
HA tự nhiên và nhân tạo thường tồn tại ở các dạng tinh thể sau: dạng hình que,
hình kim, hình vảy,…(Wikipedia, 2014). Có thể nhận biết được các dạng của tinh thể
HA nhờ sử dụng phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) hoặc hiển vi điện tử truyền
qua (TEM).
Hình 1-1 Các dạng tồn tại của tinh thể HA, (a) dạng hình que, b) dạng hình trụ, (c) dạng hình
cầu, (d) dạng hình sợi, (e) dạng hình vảy, (f) dạng hình kim (Vũ Thị Diệu, 2009)
HA tồn tại ở dạng cấu trúc là dạng đơn tà (monoclinic) và dạng lục phương
(hexagonal). HA dạng đơn tà chủ yếu được sinh ra khi nung dạng lục phương ở 850 C
trong không khí sau đó làm nguội đến nhiệt độ phòng. Còn dạng lục phương thường
được tạo thành trong quá trình điều chế ở nhiệt độ từ 25 C đến 100 C. Giản đồ nhiễu
Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách
SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 2
xạ tia X của hai dạng này giống nhau hoàn toàn về số lượng và vị trí của các vạch
nhiễu xạ. Chúng chỉ khác nhau về cường độ của pic, dạng đơn tà cho các pic có cường
độ yếu hơn các pic của dạng lục phương khoảng 1% (Vũ Thị Diệu, 2009)
Cấu trúc ô mạng cơ sở tinh thể HA gồm các ion Ca2+, PO4
3- và OH- được sắp xếp
theo dạng hình lục phương (Narasaraju T.S.B, 1996) là dạng cấu trúc thường gặp của
HA tổng hợp, trong thành phần của xương và ngà răng hoặc dạng đơn tà (Tsuda, et al.,
1994) là dạng cấu trúc thường được tìm thấy trong men răng.
Hình 1-2 Cấu trúc ô mạng cơ sở của tinh thể HA, (a) dạng lục phương, (b) dạng đơn tà
1.1.2 Tính chất hóa học
Công thức cấu tạo của phân tử HA được thể hiện hình (1-3). Phân tử HA có cấu
trúc mạch thẳng, các liên kết Ca – O là liên kết cộng hóa trị. Hai nhóm OH- được gắn
với nguyên tử P ở hai đầu mạch (Nguyễn Văn Hường, 2011, Ylinen, 2006).
Hình 1-3 Công thức cấu tạo của phân tử HA
HA không phản ứng với kiềm nhưng phản ứng với axit tạo thành các muối canxi
và nước:
Ca10(PO4)6(OH)2 + 2HCl → 3Ca3(PO4)2 + CaCl2 + 2H2O
HA tương đối bền nhiệt, bị phân hủy chậm trong khoảng nhiệt độ từ 800 C đến
1200 C tạo thành oxy – hydroxyapatite:
(a) (b)
HA, Ca10(PO4)6(OH)2
Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách
SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 3
Ca10(PO4)6(OH)2 → Ca10(PO4)6(OH)2-2xOx + xH2O (0 ≤ x ≤ 1)
Nhiệt độ lớn hơn 1200 C, HA bị phân hủy thành β-Ca3(PO4)2 (β-TCP), Ca4P2O9
hoặc CaO:
Ca10(PO4)6(OH)2 → 2β–Ca3(PO4)2 + Ca4P2O9 + H2O
Ca10(PO4)6(OH)2 → 3β–Ca3(PO4)2 + CaO + H2O
1.1.3 Tính chất sinh học
Xương đóng vai trò quan trọng với nhiệm vụ sản xuất các tế bào máu, nâng đỡ và
bảo vệ cơ thể. Cấu tạo của xương gồm: nước, dịch sinh học, các mô sợi có bản chất
của các chất hữu cơ (collagien) và hợp chất vô cơ, chủ yếu là hydroxyapatite. Xương
tồn tại ở nhiều dạng khác nhau: dạng gốm đặc khít ở bề mặt xương và răng (HA chiếm
đến 90 – 98% khối lượng), dạng gốm xốp ở xương ống (HA chiếm 60 – 70%) và dạng
xương non (Vũ Duy Hiển). Ngoài khoáng HA trong xương còn tồn tại các pha khoáng
khác như calcium pyrophosphate (Ca2P2O7), dicalcium phosphate (CaHPO4),
tricalcium phosphate (Ca3(PO4)2) và một số pha vô địch hình của calcium phosphate.
Trong đó, hydroxyapatite và dicalcium phosphate tương đối ổn định về mặt hóa học ở
nhiệt độ và pH của dung dịch sinh lý trong cơ thể người (37 C và pH 7,4). Khi
phân tích dung dịch sinh lý (huyết tương hoặc dịch ngoại bào) lấy từ các mạch máu
của mô xương, các ion Ca2+, PO4
3- và CO3
2- chiếm số lượng lớn và các ion Mg2+, Fe2+,
F-, Cl- chiếm số lượng ít hơn. Các ion Ca2+ và PO4
3- thúc đẩy sự hình thành của các
muối, chủ yếu là hydroxyapatite và tricalcium phosphate, được phân tán trong các pha
hữu cơ của xương. Tỉ lệ của hai thành phần hữu cơ và vô cơ phản ánh mối quan hệ
giữa độ cứng và độ đàn hồi của xương (Vũ Thị Diệu, 2009).
HA tự nhiên và nhân tạo điều là những vật liệu có tính tương thích sinh học cao
do nó có cùng bản chất và thành phần hóa học. Ở dạng màng và dạng xốp, HA có
thành phần hóa học và các đặc tính giống xương tự nhiên (Shi, 2006), các lỗ xốp liên
thông với nhau làm cho các mô sợi, mạch máu dễ dàng xâm nhập. Ở dạng bột mịn
kích thước nano, HA là dạng canxi photphate dễ được cơ thể hấp thụ nhất với tỷ lệ
Ca/P trong phân tử đúng như tỷ lệ trong xương và răng. Chính vì vậy mà vật liệu này
có tính tương thích sinh học cao với các tế bào và mô, có tính dẫn xương tốt, tạo liên
kết trực tiếp với xương non dẫn đến sự tái sinh xương nhanh mà không bị cơ thể đào
Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách
SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 4
thải. Ngoài ra, HA là hợp chất không gây độc, không gây dị ứng cho cơ thể người và
có tính sát khuẩn cao (Wikipedia, 2014).
Hợp chất HA tương đối bền với dịch men tiêu hóa, ít chịu ảnh hưởng của dung
dịch axit trong dạ dày. Ở dạng bột mịn kích thước nano, HA được cơ thể người hấp
thụ rất nhanh qua niêm mạc lưỡi và thực quả. Vì những đặc tính này bột HA kích
thước nano được dùng làm thuốc bổ sung canxi với hiệu quả cao (Nguyễn Văn Hường,
2011) .
1.2 Ứng dụng của bột HA
HA có tính tương thích sinh học tốt với cơ thể người, có thể tạo liên kết trực tiếp
với xương mà không cần có mô cơ trung gian và có khả năng tạo sự tái sinh xương
nhanh. Do đó, HA được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực y học:
1.2.1 Ứng dụng của HA dạng bột
Ở cơ thể người, đặc biệt cho trẻ em và người cao tuổi thì lượng canxi hấp thụ
thực tế từ thức ăn mỗi ngày tương đối thấp nên cần bổ sung canxi cho cơ thể. Trong
thức ăn hoặc thuốc, Canxium thường nằm ở dạng hợp chất hòa tan nên khả năng hấp
thụ của cơ thể không cao và thường phải dùng kết hợp với vitamin D nhằm tăng cường
việc hấp thụ và chuyển hóa canxium thành HA. Có thể bổ sung canxium cho cơ thể
người bằng cách dùng thức ăn, thuốc tiêm hoặc truyền huyết thanh,…Một phương
pháp hữu hiệu là sử dụng HA ở dạng bột mịn, kích thước nano để bổ sung canxium.
Với kích cỡ 20 – 100 nm, HA được hấp thụ trực tiếp vào cơ thể mà không cần chuyển
hóa thêm. Ngoài ra HA ở dạng bột mịn còn được dùng làm chất chám vết rạn nứt trên
bề mặt của xương (Vũ Thị Diệu, 2009, Zakharov, et al., 2004).
Sau đây là hình ảnh của một số loại thực phẩm chức năng và thuốc bổ sung
canxium sử dụng nguyên liệu HA bột dạng vi tinh thể đang được lưu hành trên thị
trường.
Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách
SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 5
Hình 1-4 Thuốc bổ sung canxi sử dụng nguyên liệu HA dạng vi tinh thể
1.2.2 Ứng dụng của HA dạng khối xốp
Như đã trình bày ở phần tính chất sinh học, HA dạng xốp có các lỗ xốp bên trong
liên thông với nhau, tạo thuận lợi cho sự xâm nhập của mô sợi và mạch máu, có tính
dung nạp tốt, không độc, không dị ứng. Vì vậy, HA dạng xốp được sử dụng rộng rãi
trong y học như:
 Chế tạo răng giả và sửa chữa khuyết tật của răng (Kasioptas, et al., 2008)
 Chế tạo mắt giả (Kundu, et al., 2004)
 Chế tạo chi tiết ghép xương và sữ chữa khuyết tật của xương (Ylinen, 2006)
 Làm điện cực sinh học cho thử nghiệm sinh học
 Làm vật liệu truyền dẫn và nhả chậm thuốc (Shinto, et al., 1992).
 Vận chuyển và phán tán insulin trong ruột (Paul, et al., 2001).
1.2.3 Ứng dụng của HA dạng composit
Gốm xốp và màng HA có độ bền cơ học thấp. Một giải pháp để tăng độ bền cơ
học là tạo ra một tổ hợp gốm composite giữa HA và polymer. Bột HA sẽ được phân
tán vào các polymer sinh học như: chitosan, gelatine hoặc các polymer tổng hợp
như poly (lactide-co-galactide) hoặc polycarpolactone,...vật liệu dạng này sử dụng
làm các chi tiết cấy ghép xương chất lượng cao, làm kẹp nối xương hoặc làm chất dẫn
truyền thuốc. Việc sử dụng các polymer sinh học làm chất nền tạo điều kiện cho việc
gia công, chế tạo chi tiếc dễ hơn. Mặc khác, các polymer này còn có khả năng liên kết
với các tế bào sinh học thông qua các nhóm chức của mình. Đây cũng là ưu điểm vượt
trội của vật liệu composite HA (Vũ Thị Diệu, 2009).
Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách
SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 6
1.2.4 Ứng dụng của HA trong hấp phụ các ion kim loại nặng
Nhiều nghiên cứu đã phát hiện tính hiệu quả khi sử dụng HA trong việc loại bỏ
ion kim loại nặng. Khả năng hấp phụ những ion kim loại như Pb2+ và Cu2+ trên vật
liệu nano HA cũng đã được phát hiện. Khả năng hấp phụ đã được dự đoán bằng
phương trình đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich, kết quả cho thấy rằng chất hấp phụ
kim loại trên vật liệu nano – HA đạt giá trị cực đại với Pb2+ > Cu2+ (Chen, et al.,
2010). Cũng có các nghiên cứu về khả năng hấp phụ ion Pb2+ bằng vật liệu hấp phụ
HA/Fe3O4, khi sử dụng vật liệu hấp phụ riêng cho từng loại HA và Fe3O4 thì hiệu quả
hấp phụ kém hơn so với khi kết hợp hai loại vật liệu này với nhau. Hiệu quả hấp phụ
các ion Pb2+ của vật liệu HA/Fe3O4 đạt giá trị cao nhất, với kỹ thuật hòa tan và kết tủa
trên bề mặt phức, đây là thuộc tính của vật liệu nhiều chức năng, hai thành phần HA
và Fe3O4 có thể kết hợp với nhau và đạt được hiệu quả trong việc loại bỏ ion Pb2+ từ
dung dịch (Dong, et al., 2010).
1.2.5 Ứng dụng của HA dạng ceramic
Gốm tổ hợp HA và – TCP là vật liệu y sinh chính cho các phẫu thuật ghép
xương, chỉnh hình hoặc chỉnh sửa xương. Gốm xốp HA có hoạt độ và tính tương thích
sinh học tốt nhất bao gồm khoảng 93 – 94% pha HA và 6 – 7% pha – TCP (Đỗ
Ngọc Liên, 2005).
1.3 Các phýõng pháp tổng hợp vật liệu HA
Việc nghiên cứu chế tạo các chế phẩm từ vật liệu HA ở các dạng khác nhau đã
được tiến hành từ lâu trên thế giới và đã đạt được những thành tựu đáng kể. Các
nghiên cứu tập trung vào tổng hợp HA ở dạng bột mịn và siêu mịn, dạng khối xốp,
dạng màng bằng các phương pháp khác nhau. Vật liệu hữu dụng này đã được ứng
dụng hiệu quả trong các lĩnh vực: xét nghiệm, điều trị y học, dược phẩm, vật liệu sinh
học và xử lý môi trường. HA ở các dạng khác nhau có thể được tổng hợp bằng nhiều
phương pháp từ các nguyên liệu khác nhau. Trong luận văn này tôi sẽ trình bày một số
phương pháp chế tạo HA đơn giản và đang được sử dụng phổ biến hiện nay (Vũ Thị
Diệu, 2009):
1.3.1 Phýõng pháp sol – gel
Phương pháp sol – gel được R.Roy đưa ra năm 1956, phương pháp này cho phép
các chất trộn lẫn với nhau ở quy mô phân tử.
Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách
SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 7
Xét một hệ bao gồm một môi trường liên tục và các tiểu phân (các hạt) có kích
thước nhỏ được phân tán đồng đều trong môi trường đó. Tập hợp các tiểu phân nhỏ bé
đó được gọi là pha phân tán, môi trường chứa đựng pha phân tán gọi là môi trường
phân tán. Khi môi trường phân tán là lỏng và pha phân tán là rắn, thì tuỳ kích thước
hạt sẽ tạo ra hệ huyền phù hoặc hệ keo (sol) (Nguyễn Đình Huề, 2000).
Gel là hệ phân tán dị thể, trong đó các hạt của pha rắn liên kết với nhau tạo thành
một khung 3 chiều, pha lỏng nằm trong các hốc trống của khung ba chiều. Quá trình
tạo gel được mô tả như sau: Hệ sol, dung dịch cao phân tử ↔ gel, nghĩa là các hệ sol,
dung dịch cao phân tử có thể chuyển thành gel hoặc ngược lại tuỳ thuộc điều kiện. Các
yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tạo gel là: kích thước, hình dạng của hạt keo và chất
cao phân tử; nồng độ pha phân tán và chất cao phân tử; nồng độ chất điện ly, nhiệt độ,
cường độ, thời gian khuấy (Nguyễn Đình Huề, 2000).
Bằng cách tách dung môi có thể chuyển sol thành gel. Khi dung môi bị tách ra,
các hạt keo hoặc phân tử lại gần nhau hơn, tạo điều kiện thuận lợi cho chúng nối chéo
với nhau. Khi sự nối chéo này đủ lớn, độ nhớt của dung dịch tăng nhanh và toàn bộ
khối dung dịch sẽ chuyển thành gel. Cũng có thể dùng cách khuấy mạnh dung dịch để
tạo gel. Cường độ và thời gian khuấy đủ lớn sẽ làm tăng tần số va chạm giữa các hạt
keo và tạo điều kiện cho chúng nối chéo với nhau. Trong thực tế, thường kết hợp cả
hai cách trên để chuyển sol thành gel (Nguyễn Đình Huề, 2000).
Bằng phương pháp sol – gel có thể tạo được bột có kích thước từ cấp m đến
nm, có tính đồng nhất, độ tinh khiết hóa học cao, bề mặt riêng lớn, có thể tổng được
các sản phẩm ở dạng màng mỏng, sợi,…(Vijayalakshmi, et al., 2006). Sơ đồ nguyên lý
của phương pháp sol – gel được thể hiện qua hình sau:
Hình 1-5 Sơ đồ nguyên lý của phương pháp Sol – Gel
Có thể tổng hợp HA theo phương pháp sol – gel bằng cách: hoà tan các hợp chất
Ca(NO3)2, (NH4)2HPO4 với các chất tạo gel như (C2H5O)3P(O), CH3O(CH2)2(OH)
(được chuẩn bị theo tỷ lệ nhất định) vào nước cất. Khuấy và gia nhiệt dung dịch này
to
SOL
Khuấy
Sấy Nungto
SOL
Khuấy
SolDung dịch Gel Sản phẩm
Arogel
Xerogel
Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách
SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 8
đến nhiệt độ 60 – 70 C, sau khoảng 3 – 4 giờ, gel có chứa hợp chất HA sẽ được tạo
thành. Sau đó, sấy gel ở nhiệt độ khoảng 120 C trong vòng 24 giờ và nung ở nhiệt độ
750 – 900 C khoảng 1 giờ. HA bột nhận được với kích thước trung bình 20 nm, độ
tinh thể khoảng 97% (Vũ Thị Diệu, 2009).
Một quá trình tổng hợp HA khác bằng phương pháp sol – gel được tiến hành với
2 tác chất ban đầu là Ca(NO3)2.4H2O và (NH4)2HPO4 và có bổ sung thêm EDTA là tác
nhân tạo phức để ngăn cản quá trình kết tủa của Ca2+ trong quá trình tạo gel và urea là
chất keo hóa và tác nhân cho amoniac (Sopyan, et al., 2008). Quy trình được trình bày
như sau:
Hình 1-6 Quá trình tổng hợp HA bằng phương pháp sol – gel từ Ca(NO3)2.4H2O và (NH4)2HPO4
Dung dịch NH3 được đun nóng và 90,5g EDTA được thêm vào trong dung dịch
khuấy cho đến khi EDTA hòa tan hoàn toàn. Thêm vào hỗn hợp trên 200 ml dung dịch
lỏng chứa 64,5g Ca(NO3)2.4H2O và 19,9g (NH4)2HPO4 cùng với 22,6g urea. Đun nóng
hỗn hợp ở 100 C từ 3 – 4 giờ. Gel thu được được sấy khô ở 350 C trong không khí
sau đó được nung ở 900 C với dòng khí thổi vào. Tỷ lệ Ca/P được quan sát là 1,8. Để
khắc phục độ lệch so với tỷ lệ đương lượng (1,67), bột được trộn với một lượng thích
hợp (NH4)2HPO4, sau đó tạo huyền phù trong nước và đun nóng ở 90 C khuấy mạnh
NH4OH EDTA
Urea
Ca(NO3)2.4H2O
(NH4)2HPO4
Đun 100 C
Gel trắng
Sấy 350 C
(NH4)2HPO4
Nung 820 C
Gel đen
HA, TCP, CaO
HA
Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách
SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 9
trong 4 giờ. Quá trình này đưa tỷ lệ Ca/P đến 1,67. Sau khi sấy 15 giờ thu được HA
tinh khiết. Quá trình tổng hợp HA được biểu diễn như sau:
5Ca(NO3)2 + (NH4)2HPO4 + NH4OH Ca5(PO4)3OH + 10NH4NO3 + 3H2O
Quy trình tổng hợp HA nano dạng bột (20 – 60 nm) bằng phương pháp sol – gel
từ H3PO4 và Ca(NO3)2.4H2O (Sanosh, et al., 2009): H3PO4 0,25 M pha loãng 2 lần
bằng nước cất. Dung dịch amoniac được thêm vào và khuấy cho đến khi pH=10.
Ca(NO3)2.4H2O 1M được chuẩn bị bằng cách hòa tan vào lượng nước gấp đôi. Dung
dịch Ca(NO3)2.4H2O được thêm từ từ vào dung dịch H3PO4 bên trên, duy trì tỷ lệ Ca/P
là 1,67. Dung dịch được giữ không đổi ở pH=10 bằng cách thêm vào một lượng nhỏ
NH3. Khuấy mạnh dung dịch trong vòng 1 giờ và già hóa 24 giờ ở nhiệt độ phòng.
Dạng keo thu được sau quá trình già hóa được sấy khô ở 65 C trong 24 giờ. Dạng bột
từ keo sấy khô được rửa liên tục dung lượng nước cất 2 lần để loại các ion NH 4+ và
ion NO3-. Sau quá trình rửa, bột được nung trong không khí ở khoảng nhiệt độ dao
động từ 200 C – 800 C trong 30 phút và tốc độ gia nhiệt 10 C/phút. Sản phẩm phụ
NH4NO3 ở phản ứng (**) được loại bỏ bằng cách rửa liên tục 2 lần với nước cất. Các
phản ứng tạo thành HA trong quy trình như sau:
H3PO4 + NH4OH (NH4)3PO4 + 3H2O (*)
6(NH4)3PO4 + 10Ca(NO3)2.4H2O Ca10(PO4)6(OH)2 + 20NH4NO3(**)
H3PO4 0,25 M
Thêm NH3 đến pH = 10
Ca(NO3)2.4H2O 1 M
hòa tan trong nước
Khuấy 1h
Già hóa 24h (nhiệt độ phòng)
Tạo gel
Sấy 65 C – 24h
Nung 200 – 800 C (30 phút)
Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách
SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 10
Hình 1-7 Quá trình tổng hợp HA bằng phương pháp Sol – Gel từ H3PO4 và Ca(NO3)2.4H2O
Ngoài ra còn rất nhiều các tác chất khác nhau cung cấp Ca và P được sử dụng để
tổng hợp HA bằng phương pháp sol – gel: tinh thể nano HA được tổng hợp từ
(CH3COO)2Ca và Triethyl phosphate (TEP) trong môi trường ethanol (Predoi, et al.,
2009), tổng hợp HA dạng bột ceramic từ Ca(NO3)2.4H2O 1,67M và P2O5 0,5M với
dung môi là ethnol tinh khiết (Vijayalakshmi and Rajeswari, 2006).
1.3.2 Phương pháp điện hóa
Để tăng độ cứng, độ bền cơ – hóa và tính tương thích sinh học của chi tiết cấy
ghép, người ta chế tạo lớp màng gốm HA có độ dày mong muốn và có khả năng bám
dính tốt trên bề mặt kim loại.
Các phương pháp vật lý như plasma, bay bốc, hồ quang…đều tạo ra một lớp
màng có nhiều dày cỡ m. Độ bám dính của lớp này vào vật liệu nền không cao. Để
khác phục hạn chế này, người ta đã chế tạo và phủ được lớp màng HA có chiều dày cỡ
nanomet (màng n – HA) trên các vật liệu nền khác nhau bằng (Vũ Thị Diệu, 2009):
1.3.2.1 Phương pháp kết tủa catot
Các vật liệu sinh học bằng kim loại hoặc hợp kim làm điện cực catot, điện cực
này được nhúng vào bể điện phân với chất điện giải là dung dịch bão hòa các ion Ca2+
và PO4
3- ở pH = 6, mật độ dòng catot đạt 10 mA/cm2, nhiệt độ điện phân được duy trì
ở 60 C. Lớp màng HA được tạo ra trên vật liệu nền có chiều dày khoảng 100 nm
trong vòng 10 phút, chiều dày của lớp màng HA tăng theo thời gian catot hóa.
1.3.2.2 Phýõng pháp anot hóa
Các vật liệu sinh học bằng kim loại hoặc hợp kim được sử dụng làn điện cực
anot. Catot được làm bằng kim loại trơ, chẳng hạn như bạch kim. Hệ điện cực được
đưa vào dung dịch điện giải chứa các ion Ca2+ và PO4
3- theo tỷ lệ Ca/P = 1,67. Dưới
tác dụng của điện áp một chiều từ 250 – 350 V, trên anot sẽ xảy ra hiện tượng phóng
tia lửa điện tại các điểm dẫn điện tốt. Tại nơi này nhiệt độ có thể lên đến 103 – 104 độ
Kenvin làm cho kim loại bị oxi hóa, các oxide tạo thành bị nóng chảy tạo thành một
lớp oxide với chiều dày khoảng 1 - 2 m có độ xốp cao. Lớp oxit này có điện trở lớn
Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách
SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 11
khi nguội và đóng rắn, làm cho hiện tượng phóng tia lửa điện chuyển sang điểm có
điện trở nhỏ. Thời gian anot hóa diễn ra trong khoảng 30 phút tạo ra một khối oxide có
độ xốp cao. Tại các mao quản của khối xốp này sẽ xảy ra hiện tượng hấp thụ các ion
Ca2+ và PO4
3-. Quá trình hình thành các tinh thể HA phụ thuộc vào số lương các mầm
tinh thể trong khi phóng điện và sự khuếch tán của các ion Ca2+ và PO4
3- đến bề mặt
lớp oxide (Shirkhanzadeh, 1991).
1.3.2.3 Phýõng pháp ðiện di
Dựa trên hiện tượng chuyển dịch tương đối của pha phân tán dưới tác dụng của
điện trường ngoài. Pha phân tán là các hạt HA kích thước nanomet, môi trường phân
tán có thể là nước hoặc môi trường mô phỏng dịch thể người SBF. Dưới tác dụng của
điện trường phù hợp, các hạt huyền phù HA tích điện âm và di chuyển về phía anot
(gắn vật liệu nền) tạo ra một lớp màng mỏng n – HA trên bề mặt chi tiết với độ bám
dính cao (Eliaz, et al., 2005).
Hình 1-8 Sơ đồ nguyên lý của phương pháp điện di
1.3.3 Phương pháp thủy nhiệt
Phương pháp thủy nhiệt là quá trình sử dụng các phản ứng ở pha đồng thể hoặc
dị thể trong môi trường lỏng ở nhiệt độ (T > 25 C) và áp suất (P >100 kPa) để kết tinh
trực tiếp vật liệu ceramic từ dung dịch (Suchanek, et al., 2006). Phương pháp thủy
nhiệt tổng hợp các vật liệu được đánh giá là một công nghệ quan trọng tạo ra các vật
liệu khác nhau trong đó có việc tổng hợp HA.Trong phương pháp này, tỷ lệ Ca/P được
Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách
SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 12
cải thiện khi tăng nhiệt độ và áp suất thủy nhiệt (Nayak, 2010). Một số nghiên cứu
tổng hợp HA bằng phương pháp thủy nhiệt đã được đưa ra. Quá trình tổng hợp tinh thể
HA nano dạng que được mô tả trong thiết bị chảy thủy nhiệt (dùng nước ở 400 C và
áp suất 24 MPa).
Ảnh hưởng của chất hoạt động bề mặt đến sự tạo thành HA dạng que nano dưới
điều kiện thủy nhiệt cũng đã được nghiên cứu. Với các tác chất ban đầu là
Ca(NO3)2.4H2O, (NH4)2HPO4 cùng với Cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) và
Polyethylene glycol (PEG400) là các chất hoạt động bề mặt. Kết quả cho thấy HA
nano dạng que với hình thái đồng nhất và kích thước điều khiển được đã được tổng
hợp thành công dùng các chất hoạt động bề mặt là CTAB và PEG dưới những điều
kiện thủy nhiệt khác nhau (90 C, 120 C và 150 C). Sản phẩm thu được tinh khiết
không lẫn CH (carbonated hydroxyapatite). Thêm vào đó, hỗn hợp CTAB và PEG
đóng vai trò điều chỉnh sự phát triển của mầm và tinh thể HA.
Phương pháp thủy nhiệt còn được dùng để điều chế HA xốp (Rocha, et al.,
2005). Nguyên liệu ban đầu là CaCO3 có trong xương động vật, san hô và dung dịch
dịch (NH4)2HPO4. Phản ứng thủy nhiệt diễn ra theo phương trình:
10CaCO3 + 6(NH4)2HPO4+ 2H2O → Ca10(PO4)6(OH)2 + 6(NH4)2CO3 + 4H2CO3
Hoặc có thể chế tạo HA xốp từ xương tự nhiên bằng phản ứng thủy nhiệt thông
qua sản phẩm trung gian CaO. Đầu tiên, chuyển hóa CaCO3 trong xương thành CaO.
Sau đó phản ứng thủy nhiệt theo phương trình (Hu, et al., 2001):
10CaO + 6(NH4)2HPO4 + 4H2O → Ca10(PO4)6(OH)2 + 12NH4OH
Quá trình thủy phân của muối CaHPO4 cũng tạo ra sản phẩm HA trong bom
thủy nhiệt được bọc lót bằng platinum hoặc teflon ở nhiệt độ 250 – 300 C, trong thời
gian 5 – 10 ngày. Nhiệt độ và áp suất cao tạo điều kiện cho các tinh thể HA hình thành
và phát triển. Pha rắn HA có độ kết tinh cao, sản phẩm thu được là đơn pha, nhưng
thiết bị và điều kiện phản ứng phức tạp, khó thực hiện (Đỗ Ngọc Liên, 2005):
10CaHPO4 + 2H2O Ca10(PO4)6(OH)2 + 4H+ + 4H2PO4
-
14CaHPO4 + 2H2O Ca10(PO4)6(OH)2 + 4Ca+ + 8H2PO4
-
Phương pháp thủy nhiệt có thể tổng hợp được nhiều dạng ceramics như dạng bột,
sợi, tinh thể đơn, các khối ceramics nguyên khối và các chất phủ trên kim loại,
polymer. Quá trình tạo thành sản phẩm bột ceramic, thời gian và lượng nhiệt tiêu tốn
Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách
SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 13
sẽ ít hơn do các bước nung ở nhiệt độ cao, trộn và nghiền không cần thiết hoặc được
giảm thiểu.
Quá trình thủy nhiệt có thể diễn ra ở phạm vi rộng khi kết hợp nước và hệ thống
hỗn hợp dung môi. Nhìn chung, quá trình với thể lỏng cho phép sự tự động khi thay
đổi ở phạm vi rộng các đơn vị vận hành như sự nạp liệu, vận chuyển, trộn lẫn và phân
chia sản phẩm. So với quá trình trạng thái rắn, dạng lỏng có khả năng tăng nhanh sự
khuếch tán, hấp thụ, tốc độ phản ứng và sự kết tinh, đặc biệt dưới điều kiện thủy nhiệt.
Chi phí tương ứng cho các thiết bị, năng lượng và các tiền chất là ít hơn trong phương
pháp thủy nhiệt. Phương pháp thủy nhiệt tốt cho môi trường hơn các phương pháp
tổng hợp khác, đóng góp một phần trong việc lưu trữ năng lượng do nhiệt độ quá trình
thấp, không dùng biện pháp nghiền, khả năng tái chế chất thải, sự thải an toàn và thuận
tiện các chất thải không được tái chế. Nhiệt độ thấp tránh được các sự cố dễ xảy ra với
quá trình ở nhiệt độ cao, ví dụ như điều chỉnh tỷ lượng kém bởi sự bay hơi của các cấu
tử (Suchanek and Riman, 2006).
1.3.3 Phương pháp kết tủa
Phương pháp kết tủa thường được sử dụng để điều chế HA dạng bột bởi nó đơn
giản và hiệu quả kinh tế. Trong suốt phản ứng, môi trường phản ứng chỉ có nước là sản
phẩm phụ duy nhất. Do đó, phương pháp kết tủa đóng vai trò quan trọng trong các
phương pháp tổng hợp HA dựa trên sự điều khiển chính xác kích thước hạt, hình thái
và thành phần hóa học. Phương pháp này đòi hỏi xác định và điều khiển các thông số
như pH và nhiệt độ dung dịch, bản chất và thành phần của vật liệu ban đầu, nồng độ
tác chất và tốc độ thêm vào, kỹ thuật và tốc độ khuấy trộn, sự có mặt của các tạp chất
để thu được HA đơn pha (Yoruc, et al., 2009). Nguyên lý phương pháp kết tủa được
trình bày theo hình 1-9:
Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách
SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 14
Hình 1-9 Sơ đồ nguyên lý của phương pháp kết tủa
HA được tổng hợp bằng cách kết tủa từ các ion Ca2+ và PO4
3- có thể thực hiện theo
nhiều cách khác nhau, có thể phân thành hai nhóm chính:
 Phương pháp kết tủa từ các muối chứa ion Ca2+ và PO4
3- dễ tan trong nước: Các
muối thường dùng là Ca(NO3)2, (NH4)2HPO4, NH4H2PO4,…(Ishikawa, et al., 1993).
 Phương pháp kết tủa từ các hợp chất chứa Ca2+ ít tan hoặc không tan trong nước
như: Ca(OH)2, CaO, CaCO3,…với axit H3PO4 trong môi trường kiềm (Santos, et al.,
2004).
Phương pháp kết tủa HA thường được sử dụng trong điều chế thương mại dựa
trên hai phương pháp cơ bản đưa ra bởi Rathje, Hayek và Newesely.
 Phương pháp đầu tiên được thực hiện bằng cách thêm H3PO4 vào huyền phù
Ca(OH)2. Để thu được HA dạng nhão, H3PO4 được thêm từng giọt vào dung dịch kiềm
Ca(OH)2, khuấy trộn trong 4 giờ. Trong suốt quá trình, pH được giữ từ 9,5 – 10, bằng
cách thêm vào dung dịch NH4OH, tạo được HA có tỷ lệ Ca/P = 1,67. Sau khi khuấy
xong, hỗn hợp phản ứng được làm già hóa 48 h. Sau đó lọc chân không, rửa với nước
Dung dịch Ca2+
Dung dịch PO4
3-
Khuấy và gia nhiệt
Dung dich điều chỉnh pH
Kết tủa
Già tủa
Ly tâm, lọc
Sấy
Nung
Sản phẩm
Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách
SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 15
cất hoặc ethanol. Mẫu lọc được sấy ở 130 oC trong 24 giờ và nghiền thành bột. Sau đó,
HA dạng bột được nung trong 2 giờ. Cuối cùng, bột được nghiền bi trong 1 giờ
Hình 1-10 Tổng hợp HA bằng phương pháp kết tủa từ Ca(OH)2 và H3PO4
Phương trình phản ứng của quá trình như sau:
10Ca(OH)2 + 6H3PO4 Ca10(PO4)6(OH)2 + 18H2O
 Phương pháp thứ hai HA được tổng hợp từ Ca(NO3)2.4H2O và (NH4)2HPO4
trong NH4OH (Monmaturapoj, 2008). Đầu tiên hai chất Ca(NO3)2.4H2O và
(NH4)2HPO4 được hòa tan trong nước khử ion. Độ pH của mỗi dung dịch lỏng được
điều chỉnh đến 11 bằng dung dịch NH4OH 25%. Thêm từ từ dung dịch Ca(NO3)2 vào
dung dịch (NH4)2HPO4 đã được khuấy mạnh ở nhiệt độ phòng trong 1 giờ tạo nên kết
tủa đục. Sau đó phần kết tủa này tiếp tục được khuấy trong 1 giờ. Quá trình hồi lưu
được thực hiện ở 100 C trong 1 giờ, tiếp theo đó là sự già hóa tủa trong 24 giờ. Hỗn
hợp sau đó được rửa và lọc trong kính. Sau quá trình lọc phần đặc, mẫu lọc được sấy
khô ở 80 C qua đêm. Dạng bột khô được nghiền và nung trong chén nung alumina ở
800 C, 1000 C và 1200 C với thời gian là 1 giờ, 2 giờ và 4 giờ.
Dung dịch huyền phù
Ca2+
Dung dịch PO4
3-NH4OH Khuấy 9,5 pH 10, T = 750C, t = 4h
Già hóa (T = 25 0C, t = 48 h)
Lọc và rửa (nước hoặc ethanol)
Sấy khô (T = 130 oC, t = 24 h)
Xử lí nhiệt 200 oC < T < 1200 oC, t = 2 h
Hydroxyapatite
tinh thể + vô định hình
Hydroxyapatite
tinh thể
Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách
SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 16
Hình 1-11 Điều chế HA dạng bột từ Ca(NO3)24H2O và (NH4)2HPO4
HA dạng bột được tổng hợp theo quy trình khác bằng phương pháp kết tủa từ
Ca(NO3)2.4H2O và (NH4)2HPO4 (Eslami, et al., 2010) như sau: Dung dịch
(NH4)2HPO4 0,09 M và dung dịch Ca(NO3)2.4H2O 0,15 M được chuẩn bị và điều
chỉnh sao hai dung dịch có giá trị pH = 11 bằng cách thêm vào 1M dung dịch NaOH.
Dung dịch HPO4
2- được thêm vào từng giọt vào dung dịch chứa ion Ca2+. Thu được
kết tủa của HA theo hai phương trình sau:
10Ca2+ 6HPO4
2- Ca10(PO4)6(OH)2 + 12H+
10Ca2+ 6HPO4
2- Ca10(PO4)6(OH)2 + 6H+
Kết tủa được làm già hóa trong vòng 22 giờ, ở nhiệt độ phòng. Sau đó, HA kết
tủa được ly tâm và sau đó rửa với nước khử ion hóa. Quá trình ly tâm và rửa được thực
hiện ba lần. Dạng bột thành phẩm được sấy trong hệ thống sấy lạnh trong 10 giờ. Cuối
Ca(NO3)2.4H2O (NH4)2HPO4
Ca2+
HPO4
2-
Khuấy dung dịch (1h)
Kết tủa
HA không kết tinh
Bột HA
Nung
Già tủa 24h, lọc và rửa
Hòa tan trong nước
khử ion
Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách
SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 17
cùng, bột sấy được nung trong lò nung ở 900 °C trong 1 giờ với tốc độ 5 °C/phút trong
không khí.
Hình 1-12 Sơ đồ tổng hợp HA dạng bột
1.3.4 Phương pháp phản ứng pha rắn:
HA được tổng hợp trên cơ cở thực hiện các phản ứng pha rắn. Nguyên liệu ban
đầu có thề là: Ca3(PO4)2 và Ca4P2O9, Ca3(PO4)2 và CaO,… được trộn đều theo tỷ lệ
Ca/P = 1,76, sau đó cho tiến hành phản ứng ở nhiệt độ khoảng 1000 °C trong hệ kín.
Phản ứng tạo HA như sau (Murugan, et al., 2007):
2Ca3(PO4)2 + Ca4P2O9 + H2O Ca10(PO4)6(OH)2
3Ca3(PO4)2 + CaO + H2O Ca10(PO4)6(OH)2
HA dạng bột và khối xốp cũng có thể được chế tạo bằng phản ứng pha rắn. Hỗn
hợp nguyên liệu rắn ban đầu được ép nén để tạo ra các chi tiết có hình dạng và độ xốp
mong muốn. Sau phản ứng, sản phẩm vẫn giữ nguyên hình dạng và cấu trúc ban đầu.
Dung dịch
Ca(NO3)2.4H2O
Dung dịch
(NH4)2HPO4
Điều chỉnh pH Điều chỉnh pH
Thêm từng giọt dung dịch
HPO4
2- vào dung dịch Ca2+
Dung dịch NaOH
Già tủa
Rửa với nước khử ion
Sấy thăng hoa
Ly tâm
3 lần
Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách
SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 18
Nhờ ưu điểm trên mà phương pháp phản ứng pha rắn này thích hợp cho việc chế tạo
gốm y sinh với các chi tiết phức tạp.
HA cũng được tổng hợp từ nguồn cung cấp CaCO3 vỏ trứng và san hô. Vỏ trứng
thô sau khi rửa sạch được nung ở nhiệt độ 900 °C. Quá trình xử lý nhiệt gồm hai phần:
30 phút đầu tiên là sự đốt cháy các hợp chất hữu cơ, trong khi phần thứ hai là sự
chuyển hóa vỏ trứng thành CaO (thời gian chờ là 3 giờ). Để tổng hợp dạng bột
Ca3(PO4)2, vỏ được đánh vụn và nghiền trong hệ thống nghiền bi. Vỏ trứng đã nghiền
cho phản ứng với H3PO4 (phản ứng tỏa nhiệt). Hỗn hợp được nghiền trong 5 giờ, tốc
độ quay 4000 vòng/phút (nghiền đĩa) hoặc trong 10 giờ với tốc độ quay 350 vòng/phút
(nghiền bi), tạo nên hỗn hợp đồng nhất và ngăn chặn sự kết tụ của quá trình nung. Các
dạng bột của HA dễ bị biến tính ở nhiệt độ cao, dễ xuất hiện pha rắn CaO. Sau quá
trình nghiền, một lượng nhỏ ( khoảng 0,5g) mỗi loại bột HA được xử lý nhiệt ở 900 °C
trong 2 giờ ngoài không khí. Quá trình nghiền bi thu được các hạt kích thước micro
(kích thước hạt lớn do bị đông tụ) với bề mặt hạt nhẵn, trong khi các mẫu nghiền đĩa
thu được hạt có kích thước nano. Tính chất hình thái hạt được giữ nguyên ngay cả khi
nung ở nhiệt độ cao (900 °C). Quá trình nghiền đĩa thu được hạt có kích thước nano
HA đồng nhất ngay cả sau khi nghiền (Gergely, et al., 2010)
Phương pháp này có nhược điểm là phải thực hiện phản ứng ở nhiệt độ cao trong
thời gian dài. Bột thu được bằng phương pháp phản ứng pha rắn thường có kíchthước
lớn do sự đông tụ của các hạt trong suốt phản ứng ở nhiệt độ cao. Sự kém đồng nhất
của sản phẩm là một vấn đề trong phương pháp này, bởi vì các nguyên tố phải khuếch
tán qua lớp tạo thành ban đầu của bề mặt bột để thực hiện phản ứng hóa học.Nghiền bi
là một phương pháp hiệu quả để đập vụn và nghiền các hạt phản ứng (Gergely, et al.,
2010).
1.3.5 Phương pháp hóa – cơ
HA có thể chế tạo bằng phản ứng giữa hai pha rắn CaCO3 và CaHPO4.2H2O
(Murugan and Ramakrishna, 2007):
4CaCO3 + 6CaHPO4.2H2O Ca10(PO4)6(OH)2 + 4H2CO3
Hoặc bằng các phản ứng sau (Murugan and Ramakrishna, 2007):
2Ca3(PO4)2 + Ca4P2O9 +H2O Ca10(PO4)6(OH)2
3Ca3(PO4)2 + CaO + H2O Ca10(PO4)6(OH)2
Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách
SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 19
3Ca3(PO4)2 + Ca(OH)2 Ca10(PO4)6(OH)2
Phương pháp này đựa trên cơ sở tác động một lực ma sát lớn giữa bi và má
nghiền của bi đến các cấu tử của hai pha rắn. Lực này phải đủ mạnh để tạo ra sự
khuếch tán nội, tiến tới phản ứng hóa học giữa hai pha rắn tạo ra pha rắn thứ ba. Ưu
điểm của phương pháp này là điều kiện đơn giản, dễ thực hiên. Nhược điểm là thời
gian phản ứng kéo dài, sản phẩm HA nhận được dễ bị lẫn tạp chất do sự mài mòn của
bi và má nghiền.
1.4 Một số phương pháp nghiên cứu vật liệu HA
1.4.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD, X – Ray)
Phương pháp nhiễu xạ tia X là một kỹ thuật phổ biến được áp dụng để nghiên
cứu cấu trúc tinh thể của vật liệu, định lượng pha tinh thể và kích thước hạt với độ tin
cậy cao, có thể xác định nhanh, chính xác các pha tinh thể.
Hình 1-13 Sơ đồ nguyên lý, cấu tạo thiết bị của phương pháp nhiễu xạ tia X
Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách
SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 20
Cơ sở của phương pháp nhiễu xạ tia X là dựa vào hiện tượng nhiễu xạ của chùm
tia X trên mạng lưới tinh thể. Khi bức xạ tia X tương tác với vật chất sẽ có hiệu ứng
tán xạ đàn hồi với các điện tử của các nguyên tử trong vật liệu có cấu trúc tinh thể sẽ
dẫn đến hiện tương nhiễu xạ tia X.
Hiện tượng nhiễu xạ tia X xảy chỉ xảy ra với các điều kiện sau: vật liệu có cấu
trúc tinh thể, có tán xạ đàn hồi, bước sóng λ của tia X phải có giá trị cùng bậc với
khoảng cách giữa các nguyên tử trong mạng tinh thể.
Chiếu chùm tia X lên mạng lưới tinh thể, mỗi nút mạng tinh thể trở thành trung
tâm nhiễu xạ. Các tia tới và tia phản xạ giao thoa với nhau hình thành lên các vân sáng
và vân tối xen kẽ nhau. Các cực đại nhiễu xạ vân sáng được xác định theo phương
trình Bragg:
n= 2dsin
Trong đó:  – bước sóng tia X
d – khoảng cách giữa hai mặt song song
 – góc giữa tia tới hoặc tia phản xạ và mặt phản xạ độ
n – bậc phản xạ và là số nguyên dương
Dựa vào phổ XRD, kích thước tinh thể được xác định bằng công thức Scherrer:
Trong đó: D – kích thước tinh thể trung bình (nm)
– góc nhiễu xạ
B - độ rộng pic đặc trưng (radian) ở độ cao bằng nữa cường độ cực đại (tại
vị trí góc 2 = 25,880, đối với HA) (Gomez‐Morales, et al., 2001)
= 1,5406A – bước sóng của tia tới (Gomez‐Morales, et al., 2001)
K – hằng số Scherrer phụ thuộc vào hình dạng của tinh thể và chỉ số Miller
của vạch nhiễu xạ (đối với HA, k = 0,9) (Gomez‐Morales, et al., 2001)
Từ giản đồ XRD, hàm lượng tinh thể tính toán theo phương pháp phân giải pic:
Trong đó: C hàm lượng phần trăm tinh thể của bột HA
Y cường độ pic đặc trưng của tinh thể HA (chọn pic có chỉ số Miller
300)
Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách
SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 21
X cường độ của lỗ giữa các pic 300 và 112
Sai số của phương pháp là 5%.
Hình 1-14 Giản đồ nhiễu xạ tia X của HA
Hàm lượng pha Ca3(PO4)2 (TCP), CaHPO4 trong bột HA được đánh giá bằng
phương pháp XRD độ phân giải cao, với góc quay 2 = 24 – 38. Hàm lượng các pha
có trong bột được tính toán từ điện tích các pic đặc trưng cho mỗi pha như sau:
Trong đó: Sa diện tích pic đặc trưng tinh thể HA (Guicciardi, et al., 2001)
Sp diện tích pic đặc trưng tinh thể Ca3(PO4)2 (Guicciardi, et al., 2001)
Hình 1-15 Giản đồ nhiễu xạ tia X của HA và TCP
Giản đồ XRD của mẫu cần được ghi theo cùng một chế độ với phổ chuẩn ATSM,
sau đó kết quả đo được so sánh với dữ liệu ATSM.
Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách
SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 22
1.4.2 Phương pháp hiển vi điện tử SEM
Thiết bị hiển vi điện tử SEM là thiết bị phóng đại đặc biệt giúp quan sát trực tiếp
bề mặt của các đối tượng cần nghiên cứu. Sự phóng đại được thực hiện không phải
bằng hệ thống thấu kính quang học mà sử dụng va chạm của các hạt electron cường độ
cao với mẫu đã được xử lý rồi nhập tín hiệu để thu hình ảnh của bề mặt vật. Độ phóng
đại của nó rất lớn ( cỡ vào khoảng vài ngàn đến vài chục ngàn lần) kích thước quan sát
có thể đến nm (Zaluzec, 2007)
Nguyên tắc hoạt động của thiết bị điện tử SEM là chùm điện tử được tạo ra từ
catot qua hai tụ quang sẽ được hội tụ lên mẫu nghiên cứu. Chùm điện tử đập vào mẫu
phát ra các điện tử phản xạ thứ cấp. Mỗi điện từ phát xạ này qua điện thế gia tốc vào
phần thu và biến đổi thành tín hiệu sáng, chúng được khuếch đại đưa vào mạng lưới
điều khiển tạo độ sáng trên màng hình. Mỗi điểm trên mẫu nghiên cứu cho một điểm
trên màn hình. Độ sáng tối trên màn hình phụ thuộc lượng điện tử thứ cấp phát với bộ
thu, đồng thời còn phụ thuộc bề mặt của mẫu nghiên cứu. Ưu điểm của phương pháp
SEM là có thể thu được những bức ảnh ba chiều rõ nét và không đòi hỏi khâu chuẩn bị
mẫu quá phức tạp.
Hình 1-16 Giản đồ nhiễu xạ tia X của HA và TCP
Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách
SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 23
CHƯƠNG II: ĐẠI CƯƠNG VỀ KIM LOẠI NẶNG
2.1 Kim loại nặng
2.1.1 Khái niệm
Kim loại nặng là những kim loại có khối lượng riêng lớn hơn 5 g/cm3 và thông
thường nói đến kim loại nặng là người ta nghĩ đến những nguyên tố có liên quan tới
các tính chất không tốt trong một lĩnh vực nào đó. Thuật ngữ “ kim loại nặng” dùng để
chỉ những kim loại hoặc á kim liên quan đến vấn đề ô nhiễm môi trường và có độc tính
cao đối với cơ thể sống. Các kim loại nặng ở nồng độ thắp (nồng độ vi lượng) là các
nguyên tố dinh dưỡng cần thiết cho sự phát triển bình thường của con người. Tuy
nhiên nếu vượt quá hàm lượng cho phép, chúng lại gây các tác động vô cùng nguy hại
tới sức khỏe con người (Vũ Thị Tâm HIếu, 2009). Chúng được được chia làm 3 loại:
các kim loại độc (Hg, Cr, Pb, Zn, Cu, Ni, Cd, As, Co, Sn,…), các kim loại phóng xạ
(U, Th, Ra, Am,…) và những kim loại quý (Pd, Pt, Au, Ag, Ru,…). Kim loại nặng gây
độc hại với môi trường và cơ thể sinh vật khi hàm lượng của chúng vượt quá tiêu
chuẩn cho phép (Chi cục tiêu chuẩn - Đo lường - Chất lượng Bình Thuận, 2013).
Kim loại nặng tồn tại trong nước ở dạng ion, chúng phát sinh từ nhiều nguồn
khác nhau trong đó chủ yếu là từ các hoạt động công nghiệp. Số lượng ngày càng tăng
của kim loại nặng trong môi trường là nguyên nhân gây nhiễm độc đối với đất, không
khí và nước. Việc loại trừ các thành phần chứa kim loại nặng ra khỏi các nguồn nước,
đặc biệt là nước thải công nghiệp là mục tiêu môi trường quan trọng bậc nhất cần phải
giải quyết.
2.1.2 Tính chất của kim loại nặng
Kim loại nặng là những kim loại hầu như không bị phân hủy sinh học (Tam, et
al., 1995), không độc khi ở dạng nguyên tố tự do nhưng nguy hiểm đối với sinh vật
sống khi ở dạng cation do khả năng gắn kết với các chuỗi cacbon ngắn dẫn đến sự tích
tụ trong cơ thể sinh vật sau nhiều năm (Islam, et al., 2004). Đối với con người, có
khoảng 12 nguyên tố kim loại nặng gây độc như chì, thủy ngân, nhôm, arsen, niken…
Một số kim loại nặng được tìm thấy trong cơ thể và thiết yếu cho sức khỏe con người,
chẳng hạn như sắt, kẽm, magie, cobalt, mangan, molybden và đồng mặc dù với lượng
rất ít nhưng nó hiện diện trong quá trình chuyển hóa. Tuy nhiên, ở mức thừa của các
Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách
SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 24
nguyên tố thiết yếu có thể nguy hại đến đời sống của sinh vật. Các nguyên tố kim loại
còn lại là các nguyên tố không thiết yếu và có thể gây độc tính cao khi hiện diện trong
cơ thể, tuy nhiên tính độc chỉ thể hiện khi chúng đi vào chuỗi thức ăn. Các nguyên tố
này bao gồm thủy ngân, nickel, chì, arsen, nhôm, platin và đồng ở dạng ion kim loại.
Chúng đi vào cơ thể qua các con đường hấp thụ của cơ thể như hô hấp, tiêu hóa và qua
da (Chi cục tiêu chuẩn - Đo lường - Chất lượng Bình Thuận, 2013).
Ngày nay khi môi trường đang bị ô nhiễm, trong đất, nước tích tụ ngày càng
nhiều các kim loại nặng gây độc, tạo nên những mối lo lắng về sức khỏe con người.
Nếu kim loại nặng đi vào cơ thể và tích lũy bên trong tế bào lớn hơn sự phân giải
chúng thì chúng sẽ tăng dần và sự ngộ độc sẽ xuất hiện. Do vậy người ta bị ngộ độc
không những với hàm lượng cao của kim loại nặng mà cả khi với hàm lượng thấp và
thời gian kéo dài sẽ đạt đến hàm lượng gây độc (Chi cục tiêu chuẩn - Đo lường - Chất
lượng Bình Thuận, 2013).
Về mặt sinh hóa, các kim loại nặng có ái lực lớn với các nhóm –SH, –SCH3 của
các nhóm enzym trong cơ thể. Vì thế, các enzym bị mất hoạt tính, cản trở quá trình
tổng hợp protein của cơ thể con người.
2.1.3 Giới thiệu về ion đồng và độc tính của đồng
2.1.3.1 Ion đồng (Cu2+)
Nguyên tố đồng thường tồn tại trong nước ở hai dạng ion Cu2+ và Cu+. Trong đó,
Cu2+ là ion phổ biến nhất trong các ion đồng, bền hơn so với ion Cu+ và ở trạng thái có
số oxi hóa cao nhất +2. Trong dung dịch nước nó tồn tại chủ yếu ở dạng phức
CuH2O4
2+ có màu xanh lam. Cu2+ dễ dàng tạo phức bền với NH3, EDTA, etylen
glycol…Cu2+ bền trong môi trường axit và nó có mặt trong nước thải của nhà máy các
khu công nghiệp, khu chế xuất (Nhâm, 2003).
2.1.3.2 Độc tính của đồng
Một lượng nhỏ đồng là rất cần thiết cho động vật, bởi đồng là thành phần quang
trọng cho các enzym: oxidaza, citocrom và galactosa. Sự thiếu đồng gây ra thiếu máu.
Khi cơ thể bị nhiễm độc đồng có thể gây một số bệnh về thần kinh, gan, thận, lượng
lớn hấp thụ qua đường tiêu hoá có thể gây tử vong (Nhâm, 2003). Sự tồn tại đồng
trong nước kìm hãm sự sinh trưởng của tảo ngay cả ở nồng độ thấp. Nước có nồng độ
Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách
SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 25
3 gCu/L có thể gây độc với cá trong khi đó nồng độ nước 1 gCu/L đã gây ô nhiễm với
thực vật (Phạm Hùng Việt, 1999).
2.2 Lý thuyết về hấp phụ
2.2.1 Hiện tượng hấp phụ
Các quá trình dị thể như sự hòa tan, sự chuyển pha, sự tạo thành và phân hủy
chất rắn, quá trình xúc tác dị thể, quá trình điện hóa... đều xảy ra trên bề mặt phân chia
pha. Trạng thái của chất ở trên bề mặt phân chia pha hoàn toàn khác trạng thái của nó
khi ở trong lòng các pha do sự khác nhau của các trường phân tử. Sự khác nhau này
gây ra những hiện tượng bề mặt trên ranh giới phân chia pha (Lê Văn Cát, 2002). Nếu
thành phần của các cấu tử trên bề mặt phân chia pha khác với thành phần trong từng
pha thì đã tạo nên cơ sở cho quá trình phân riêng.
Hấp phụ là hiện tượng một chất nào đó (dưới dạng phân tử, nguyên tử hay ion)
có khuynh hướng tập chung trên bề mặt phân chia pha nào đó. Trong sự hấp phụ trên
bề mặt chất hấp phụ rắn, nguyên nhân chủ yếu của sự hấp phụ là do năng lượng dư
trên ranh giới bề mặt phân chia pha rắn – khí hay rắn – lỏng. Các lực tương tác trong
hấp phụ này có thể là các lực Van der waals. Chất hấp phụ là chất mà phân tử ở lớp bề
mặt có khả năng hút các phần tử của pha khác nằm tiếp xúc với nó (Lê Văn Cát,
2002).
Trong quá trình hấp phụ thì chất bị hấp phụ là chất bị hút ra khỏi pha thể tích đến
tập trung trên bề mặt chất hấp phụ. Thông thường quá trình hấp phụ là quá trình tỏa
nhiệt (Lê Văn Cát, 2002).
2.2.2 Phân loại các quá trình hấp phụ
Tùy theo bản chất của lực tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ, người
ta phân biệt hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học.
 Hấp phụ vật lý
Hấp phụ vật lý hay hấp phụ “ van der waals” xảy ra do tương tác giữa chất hấp
phụ và chất bị hấp phụ không lớn, các phần tử chủ yếu liên kết với nhau bởi những lực
vật lý như lực tĩnh điện, lực tán xạ, cảm ứng và lực dịnh hướng,…không có sự trao đổi
electron giữa các phân tử. Cấu trúc điện tử của chất bị hấp phụ ít thay đổi, nhiệt hấp
phụ tỏa ra nhỏ (Hoàng Ngọc Hiền, 2008)
Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách
SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 26
Hấp phụ vật lí là quá trình hai chiều thuận nghịch và ít có tính chọn lọc, chiều
ngược của sự hấp phụ là sự khử hấp phụ. Các chất đã bị hấp phụ dễ bị khử hấp phụ.
Nó hoàn toàn tuân theo nguyên lí về chuyển dịch cân bằng của Le Châtelier (Hoàng
Ngọc Hiền, 2008).
 Hấp phụ hóa học
Trong hấp phụ hóa học, các phân tử của chất bị hấp phụ liên kết với chất hấp phụ
bởi các lực hóa học bền vững tạo thành những hợp chất hóa học bề mặt mới. Sự hấp
phụ ôxi trên bề mặt kim loại là một ví dụ về hấp phụ hóa học. Hấp phụ hóa học có hiệu
ứng nhiệt lớn (Hoàng Ngọc Hiền, 2008).
2.2.3 Cân bằng hấp phụ
Hấp phụ vật lý là một quá trình thuận nghịch. Khi tốc độ hấp phụ (quá trình
thuận) bằng tốc độ giải hấp phụ (quá trình nghịch) thì quá trình hấp phụ đạt trạng thái
cân bằng. Với một lượng xác định, lượng chất bị hấp phụ là một hàm của nhiệt độ và
áp suất hoặc nồng độ của chất bị hấp phụ trong pha tinh thể (Nguyễn Đình Huề, 2000).
q = f(T,P hoặc C)
Trong đó:
q – dung lượng hấp phụ lúc đạt trạng thái cân bằng (mg/g)
T – nhiệt độ
P – áp suất
C – nồng độ của chất bị hấp phụ trong pha tinh thể (mg/L)
2.2.4 Dung lượng hấp phụ cân bằng
Dung lượng hấp phụ cân bằng là khối lượng chất bị hấp phụ trên một đơn vị khối
lượng chất hấp phụ ở trạng thái cân bằng trong điều kiện xác định về nồng độ và nhiệt
độ (GS. TSKH Nguyễn Bin, 2005).
Trong đó: q – dung lượng hấp phụ lúc đạt trạng thái cân bằng (mg/g)
V – thể tích dung lượng chất bị hấp phụ (L)
m – khối lượng chất hấp phụ (g)
– nồng độ của chất bị hấp phụ tại thời điểm ban đầu (mg/L)
Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách
SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 27
2.2.5 Hiệu suất hấp phụ
Hiệu suất hấp phụ là tỉ số giữa nồng độ dung dịch bị hấp phụ và nồng độ dung
dịch ban đầu (GS. TSKH Nguyễn Bin, 2005).
2.2.6 Mô hình động học hấp phụ
Đối với hệ hấp phụ lỏng – rắn, động học hấp phụ xảy ra theo các giai đoạn kế
tiếp nhau (Lê Văn Cát, 2002):
 Chất bị hấp phụ chuyển động đến bề mặt chất hấp phụ. Đây là giai đoạn khuếch
tán trong dung dịch.
 Phần tử chất bị hấp phụ chuyển động tới bề mặt ngoài của chất hấp phụ chứa các
hệ mao quản. Đây là giai đoạn khuếch tán màng.
 Chất bị hấp phụ khuếch tán vào bên trong hệ mao quản của chất hấp phụ. Đây là
giai đoạn khuếch tán trong mao quản.
 Các phần tử chất bị hấp phụ được gắn vào bề mặt chất hấp phụ. Đây là giai đoạn
hấp phụ thực sự.
 Trong tất cả các giai đoạn đó, giai đoạn có tốc độ chậm sẽ quyết định hay khống
chế chủ yếu quá trình động học hấp phụ. Với hệ hấp phụ trong môi trường nước,
quá trình khuếch tán thường chậm và đóng vai trò quyết định.
2.2.7 Các phương trình đẳng nhiệt hấp phụ
Khi nhiệt độ không đổi, đường biểu diễn q = fT (P hoặc C) được gọi là đường hấp
phụ đẳng nhiệt. Đường hấp phụ đẳng nhiệt biểu diễn sự phụ thuộc của dung lượng hấp
phụ tại một thời điểm vào nồng độ cân bằng hoặc áp suất của chất bị hấp phụ tại thời
điểm đó ở một nhiệt độ xác định.
Đối với chất hấp phụ là chất rắn, chất bị hấp phụ là chất lỏng, khí thì đường hấp
phụ đẳng nhiệt được mô tả qua các phương trình như: phương trình hấp phụ đẳng nhiệt
Henry, Freundlich, Langmuir,....(Nguyễn Đình Huề, 2000)
Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách
SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 28
2.2.7.1 Phương trình Freundlich
Trên một khoảng có nồng độ nhỏ và đặc biệt với dung dịch loãng đường đẳng
nhiệt cho quá trình hấp phụ có thể được mô tả theo biểu thức thực nghiệm Freundich
(Trầm Trung Bích Thảo, 2011).
1
cbkCq


n
Trong đó: k, n – các hằng số.
Ccb – nồng độ chất bị hấp phụ lúc đạt trạng thái cân bằng (mg/L)
q – dung lượng hấp phụ lúc đạt trạng thái cân bằng (mg/g)
Phương trình trên được tuyến tính như sau:
log q = log k + n–1log Ccb
Các hằng số k, n xác định được bằng cách vẽ đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc giữa log q
và log Ccb.
2.2.7.2 Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Henry
Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Henry là phương trình đơn giản mô tả sự tương
quan tuyến tính giữa lượng chất bị hấp phụ trên bề mặt pha rắn và nồng độ hoặc áp
suất của chất bị hấp phụ ở trạng thái cân bằng (Hoàng Ngọc Hiền, 2008).
Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Henry có dạng:
a = K.P
hay q = K.Ccb
Trong đó: a – lượng chất bị hấp phụ (mol/g)
K – hằng số hấp phụ Henry
P – áp suất (mmHg)
q – dung lượng hấp phụ cân bằng (mg/g)
Ccb .nồng độ chất bị hấp phụ lúc đạt trạng thái cân bằng (mg/L)
2.2.7.3 Phương trình Langmuir
Phương trình Langmuir cổ điển là phương trình phổ biến nhất và đơn giản nhất
mô tả mối quan hệ giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ trong quá trình hấp phụ sinh
học (Trầm Trung Bích Thảo, 2011).
Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách
SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 29
cb
cbmax
bC1
bCq
q


Trong đó: q – dung lượng hấp phụ lúc đạt trạng thái cân bằng (mg/g)
qmax – dung lượng hấp phụ lúc đạt trạng thái cân bằng (mg/g)
Ccb – nồng độ chất bị hấp phụ lúc đạt trạng thái cân bằng (mg/L)
b – hằng số cân bằng hấp phụ
Phương trình trên được tuyến tính như sau:



















cbmaxmax C
1
bq
1
q
1
q
1
Các hằng số qmax và b được xác định bằng cách vẽ đồ thị biểu diễn mối quan hệ
giữa 1/q và 1/Ccb.
Hình 2-1 Đường hấp phụ đẳng nhiệt Languir
Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách
SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 30
Hình 2-2 Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb
Từ mối quan hệ giữa Ccb/q và Ccb dễ dàng tính được qmax và hằng số b.
Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách
SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 31
CHƯƠNG III: THỰC NGHIỆM
3.1 Hóa chất, nguyên liệu và dụng cụ thiết bị
3.1.1 Hóa chất
Axit phosphoric (H3PO4) 98% (Trung Quốc)
Axit clohydric (HCl) 36 – 38% (Trung Quốc)
Axit sunfuric (H2SO4) 95 – 98% (Trung Quốc)
Amoniac (NH3) 25 – 28% (Trung Quốc)
Ethanol (C2H5OH) 96% (Việt Nam)
Đồng nitrate (Cu(NO3)2.3H2O) 99 – 102% (Trung Quốc)
Murexide (C8H8N6O6) 25g (Trung Quốc)
EDTA (C10H14N2O8Na2.2H2O) 0,05 N (Trung Quốc)
Natri clorua (NaCl) 99,5% (Trung Quốc)
3.1.2 Nguyên liệu
Vỏ sò thu gom trên địa bàn quận Ninh Kiều thành phố Cần Thơ, được rửa sạch
làm nguồn nguyên liệu cho quá trình tổng hợp bột HA.
Hình 3-1 Nguyên liệu vỏ sò được rửa sạch
Ảnh SEM của vỏ sò tự nhiên được chụp tai phòng thí nghiệm chuyên xâu Trường
Đại Học Cần Thơ (hình 3-2) cho thấy chúng được cấu tạo bởi các lớp mỏng xếp chồng
khít lên nhau. Các lớp này bao gồm các khối đa diện không đều cấu tạo từ CaCO3 nằm
cạnh nhau và giữa các khối đa diện tồn tại các lỗ xốp.
Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách
SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 32
Hình 3-2 Ảnh SEM của vỏ sò tự nhiên với độ phóng đại khác nhau
Kết quả phân tích thành phần hóa mẫu vỏ sò bằng thiết bị Xray tại nhà máy xi
măng Holcim (Hòn Chông, Kiên Giang) được trình bày ở bảng 3-1. Bảng số liệu trên
cho thấy vỏ sò gồm có các nguyên tố: canxi, cacbon, nhôm, natri, mangan, sắt, lưu
huỳnh và clorua. Trong đó, hai nguyên tố Ca và C tồi tại ở dạng hợp chất (CaCO3),
chiếm đến 96,68% tổng hàm lượng khoáng, các nguyên tố khác (Al, Na, Mn, Fe, Cl và
S) chiếm khoảng 3,32%.
Bảng 3-1 Thành phần nguyên tố và hàm lượng CaCO3 của vỏ sò
Thành phần Chỉ tiêu phân tích (%) Total
LOI 44,18
98,78
Al2O3 0,15
SiO2 0,00
Fe2O3 0,01
CaO 54,14
MgO 0,00
SO3 0,05
K2O 0,00
Na2O 0,22
P2O5 0,00
Cl 0,03
Mn2O3 0,01
TiO2 0,00
CaCO3 - 96,68
Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách
SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 33
3.1.3 Dụng cụ
Nhiệt kế thủy ngân 100 C
Bình định mức 250 mL, 1000 mL
Ống đong 5 mL, 10 mL, 100 mL
Bát nung
Becher 100 mL, 250 mL
3.1.4 Thiết bị
Bếp nhiệt: Alma, Japan
Máy khuấy từ có gia nhiệt: IKA RH basic, Germany
Máy khuấy từ có gia nhiệt: Schott Gerate GmbH, Germany
Máy đo pH: Thermo Scientific Orion 3 star, USA
Bơm hút chân không: Welch
Máy nghiền bi: Sassuolo, Italy
Lò nung: Nabertherm, Germany
Tủ sấy: Memmert, Đức
Cân 2 số: Sartorius TE412
Cân 4 số: Sartorius – CP224S
3.2 Đia điểm và thời gian thực hiện
Địa điểm : Phòng thí nghiệm hóa học hữu cơ, vô cơ – Bộ môn Công Nghệ Hóa –
Khoa Công Nghệ - Trường Đại học Cần Thơ.
Thời gian thực hiện : 01/09/2014 đến hết ngày 24/11/2014.
3.3 Tổng hợp bột HA
Bột HA được tổng hợp từ bột CaO và H3PO4 qua hai giai đoạn chính sau đây :
3.3.1 Qui trình tạo bột CaO từ vỏ sò
Vỏ sò sau khi thu gom, được rửa sạch sơ bộ bằng nước thường, sấy khô ở 100 C
và đập thành những viên nhỏ kích thước khoảng 10 10 mm bằng búa. Sau đó, luộc
rửa nhiều lần bằng nước cất và etanol để loại bỏ các tạp chất cơ học, các hợp chất hữu
cơ và tiếp tục đem sấy khô. Vỏ sò sau khi đã rửa sạch và sấy khô được nghiền mịn
trong máy nghiền bi khoảng 30 phút. Sau quá trình nghiền bột vỏ sò được nung ở nhiệt
độ 900 C trong 3 giờ để đảm bảo CaCO3 phân hủy hoàn toàn thành CaO theo phương
Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách
SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 34
trình: CaCO3 CaO + H2O. Bột CaO được bảo quản trong hộp nhựa kín dùng làm
nguyên liệu tổng hợp HA.
Hình 3-3 Quy trình điều chế bột CaO
Hình 3-4 Bột CaO tạo từ vỏ sò
Vỏ sò thu gom
Rửa nước thường
Sấy khô
Đập nhỏ
Luộc, rửa với
cồn và nước cất
Sấy khô
Nghiền
Rây
Nung 900 C, 3 h
Bột CaO
Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách
SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 35
3.3.2 Quy trình điều chế HA được mô tả như sau
Mô tả thí nghiệm: Hòa tan một lượng bột CaO vào 100 ml nước cất trong cốc
250 ml và khuấy đều trong 30 phút ở nhiệt độ phòng, thu được huyền phù có nồng độ
cần khảo sát. Đinh mức dung dịch H3PO4 đến nồng độ cần khảo sát và đông 100 ml
dung dịch H3PO4 cho vào ống chuẩn độ được đặt trên cốc 250 ml. Sau đó gia nhiệt lên
nhiệt độ cần khảo sát. Khi dung dịch huyền phù Ca(OH)2 được gia nhiệt đến nhiệt độ
nghiên cứu bắt đầu nhỏ từng giọt dung dịch H3PO4 vào cho đến hết, cho dung dịch
NH3 vào để điều chỉnh pH = 10 – 12, tiếp tục khuấy hỗn hợp thêm 4 giờ. Hỗn hợp
phản ứng được khuấy và gia nhiệt bằng máy khuấy từ đến nhiệt độ cần khảo sát và tốc
độ mong muốn, duy trì tại nhiệt độ và tốc độ đó trong suốt thời gian phản ứng. Nhiệt
độ thí nghiệm được đo bằng nhiệt kế thủy ngân. Sau đó hạ nhiệt độ phản ứng về nhiệt
độ phòng. Sản phẩm thu được ở dạng huyền phù, màu trắng. Để lắng 72 giờ để ổn định
cấu trúc rồi lọc chân không thu lấy sản phẩm và sấy khô ở 60 0C trong khoảng 72 giờ.
Sản phẩm sau khi sấy khô được đem nung ở nhiệt độ khảo sát trong thời gian là 4 giờ.
Hình 3-5 (a) mô hình tạo bột HA bằng phản ứng thủy nhiệt, (b) già hóa hỗn hợp huyền phù sau
phản ứng, (c) sản phẩm sau khi lọc và sấy khô
Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách
SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 36
Hình 3-6 Quy trình tổng hợp bột HA
3.3.3 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ chất phản ứng đến chất lượng bột HA
Bảng 3-2 Các thông số thực nghiệm của nồng độ chất phản ứng khảo sát
Mẫu H1 H2 H3 H4
Nồng độ dung dịch Ca(OH)2 (M) 0,15 0,5 1,5 2
Nồng độ dung dịch H3PO4 (M) 0,09 0,3 0,9 1,2
Nhiệt độ phản ứng (C) 30
Nhiệt độ nung (C) 900
Sản phẩm thu được từ quy trình tổng hợp trên được tiến hành phân tích nhiễu xạ
tia X để chọn nồng độ chất phản ứng thích hợp và khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ
phản ứng.
Bột CaO 100 ml nước cất
Khuấy 30 phút
Phản ứng 4 h (pH = 10 – 12)NH3 (25%)
Làm già tủa 72 giờ
Lọc
Sấy (60 C, 72 giờ)
Nung
Bột HA
H3PO4 đậm đặc
100 ml nước cất
Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách
SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 37
3.3.4 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến chất lượng của bột HA
Bảng 3-3 Các thông số thực nghiệm của nhiệt độ khảo sát
Mẫu H5 H6 H7
Nhiệt độ phản ứng (C) 30 60 90
Nhiệt độ nung (C) 900
Nồng độ dung dịch Ca(OH)2 (M) 0,5
Nồng độ dung dịch H3PO4 (M) 0,3
Sản phẩm thu được từ quy trình phản ứng trên tiến hành phân tích nhiễu xạ tia X.
Trên cơ sở kết quả phân tích XRD chọn nhiệt độ phản ứng thích hợp để khảo sát ảnh
hưởng của nhiệt độ nung.
3.3.5 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến chất lượng của bột HA
Bảng 3-4 Các thông số thực nghiệm của nhiệt độ nung cần khảo sát
Mẫu H8 H9 H10 H11 H12
Nhiệt độ nung (C) 100 500 700 900 1100
Nhiệt độ phản ứng (C) 90
Nồng độ dung dịch Ca(OH)2 (M) 0,5
Nồng độ dung dịch H3PO4 (M) 0,3
Tiến hành phân tích nhiễu xạ tia X sản phẩm thu được từ quy trình điều chế trên.
Từ đó xác định điều kiện tối ưu để tổng hợp bột HA với độ tinh khiết cao.
3.4 Nghiên cứu hấp phụ
Để khảo sát khả năng hấp phụ ion kim loại Cu2+ của vật liệu hấp phụ HA chúng
tôi tiến hành nhiều bước thực nghiệm. Các bước thực nghiệm được tiến hành là chuẩn
bị dung dịch với tỷ lệ rắn – lỏng là 200 mg bột HA tương ứng với 100 ml dung dịch
chứa ion Cu2+. Giá trị pH đầu khi khảo sát được cố định ở 5, quá trình thực nghiệm
được tiến hành ở nhiệt độ phòng (37 1 C). Cho hấp phụ sau khoảng thời gian 30
phút đến 8 giờ, dung dịch được tách ra khỏi chất rắn và đem phân tích nồng độ sau khi
hấp phụ.
Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách
SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 38
Hình 3-7 Quá trình hấp phụ ion Cu2+
bằng bột HA
Hình 3-8 Bột HA trước và sau quá trình hấp phụ
3.4.1 Chuẩn bị hóa chất và dung dịch
Cách pha dung dịch Cu2+ nồng độ 1000 mg/L: cân chính xác 1,89 g
Cu(NO3)2.3H2O cho vào bình định mức rồi định mức lên đến 500 ml bằng nước cắt
với pH = 4, được dung dịch Cu2+ nồng độ 1000 mg/L. Từ dung dịch gốc pha loãng
thành các dung dịch có nồng độ ban đầu xác định để tiến hành khảo sát hấp phụ.
Chỉ thị Murexit: Cân chính xác 99 g NaCl và 1g bột murexit cho vào hộp nhựa
hai chất trên và lắc đều ta được murexit 1%.
Dung dịch EDTA chuẩn: cho hết bột EDTA trong ống chuẩn và bình định mức
1000 ml đổ nước cất cho đến vạch ta được EDTA 0,05 N. Từ dung dịch gốc pha loãng
thành dung dịch có nông độ ban đầu xác định để tiến hành chuẩn độ.
3.4.2 Cách phân tích xác định nồng độ ion Cu2+
Khi xác định nồng độ ion Cu2+ trong dung dịch nước lọc thì sẽ xác định được
nồng độ ion Cu2+ đã được hấp phụ vào trong bột HA
Luan van ha
Luan van ha
Luan van ha
Luan van ha
Luan van ha
Luan van ha
Luan van ha
Luan van ha
Luan van ha
Luan van ha
Luan van ha
Luan van ha
Luan van ha
Luan van ha
Luan van ha
Luan van ha
Luan van ha
Luan van ha
Luan van ha
Luan van ha
Luan van ha
Luan van ha
Luan van ha
Luan van ha
Luan van ha
Luan van ha
Luan van ha
Luan van ha
Luan van ha
Luan van ha
Luan van ha
Luan van ha
Luan van ha
Luan van ha
Luan van ha

More Related Content

What's hot

Báo cáo vo_chung.version _4
Báo cáo vo_chung.version _4Báo cáo vo_chung.version _4
Báo cáo vo_chung.version _4To Die Born
 
Xác định đồng thời cu2 và co2 bằng phương pháp trắc quang sử dụng các thuật...
Xác định đồng thời cu2  và co2  bằng phương pháp trắc quang sử dụng các thuật...Xác định đồng thời cu2  và co2  bằng phương pháp trắc quang sử dụng các thuật...
Xác định đồng thời cu2 và co2 bằng phương pháp trắc quang sử dụng các thuật...https://www.facebook.com/garmentspace
 
Tio2- graphene
Tio2- grapheneTio2- graphene
Tio2- graphenenhuphung96
 
Kỹ thuật xúc tác
Kỹ thuật xúc tác  Kỹ thuật xúc tác
Kỹ thuật xúc tác dang thuan
 
Luận án: Xử lý phenol trong nước thải bằng ozon hóa kết hợp xúc tác - Gửi miễ...
Luận án: Xử lý phenol trong nước thải bằng ozon hóa kết hợp xúc tác - Gửi miễ...Luận án: Xử lý phenol trong nước thải bằng ozon hóa kết hợp xúc tác - Gửi miễ...
Luận án: Xử lý phenol trong nước thải bằng ozon hóa kết hợp xúc tác - Gửi miễ...Dịch vụ viết bài trọn gói ZALO: 0909232620
 
Tổng hợp zeolite 4 a từ cao lanh và khảo sát khả năng hấp phụ ion amoni (nh4 ...
Tổng hợp zeolite 4 a từ cao lanh và khảo sát khả năng hấp phụ ion amoni (nh4 ...Tổng hợp zeolite 4 a từ cao lanh và khảo sát khả năng hấp phụ ion amoni (nh4 ...
Tổng hợp zeolite 4 a từ cao lanh và khảo sát khả năng hấp phụ ion amoni (nh4 ...https://www.facebook.com/garmentspace
 
Cơ sở hóa học phân tích - Lâm Ngọc Thụ (ĐHQGHN)
Cơ sở hóa học phân tích - Lâm Ngọc Thụ (ĐHQGHN)Cơ sở hóa học phân tích - Lâm Ngọc Thụ (ĐHQGHN)
Cơ sở hóa học phân tích - Lâm Ngọc Thụ (ĐHQGHN)Nguyễn Hữu Học Inc
 
đáNh giá tuổi thọ của thép austenit 08 x18h10t trong bình sinh hơi nhà máy đi...
đáNh giá tuổi thọ của thép austenit 08 x18h10t trong bình sinh hơi nhà máy đi...đáNh giá tuổi thọ của thép austenit 08 x18h10t trong bình sinh hơi nhà máy đi...
đáNh giá tuổi thọ của thép austenit 08 x18h10t trong bình sinh hơi nhà máy đi...https://www.facebook.com/garmentspace
 

What's hot (20)

Báo cáo vo_chung.version _4
Báo cáo vo_chung.version _4Báo cáo vo_chung.version _4
Báo cáo vo_chung.version _4
 
Luận văn: Tổng hợp vật liệu quang xúc tác trên Tio2 và vật liệu Mof
Luận văn: Tổng hợp vật liệu quang xúc tác trên Tio2 và vật liệu MofLuận văn: Tổng hợp vật liệu quang xúc tác trên Tio2 và vật liệu Mof
Luận văn: Tổng hợp vật liệu quang xúc tác trên Tio2 và vật liệu Mof
 
Luận văn: Tổng hợp vật liệu YFeO3 bằng phương pháp sol-gel, HAY
Luận văn: Tổng hợp vật liệu YFeO3 bằng phương pháp sol-gel, HAYLuận văn: Tổng hợp vật liệu YFeO3 bằng phương pháp sol-gel, HAY
Luận văn: Tổng hợp vật liệu YFeO3 bằng phương pháp sol-gel, HAY
 
Xác định đồng thời cu2 và co2 bằng phương pháp trắc quang sử dụng các thuật...
Xác định đồng thời cu2  và co2  bằng phương pháp trắc quang sử dụng các thuật...Xác định đồng thời cu2  và co2  bằng phương pháp trắc quang sử dụng các thuật...
Xác định đồng thời cu2 và co2 bằng phương pháp trắc quang sử dụng các thuật...
 
Luận án: Tính chất quang học của vật liệu TiO2 có cấu trúc nano
Luận án: Tính chất quang học của vật liệu TiO2 có cấu trúc nanoLuận án: Tính chất quang học của vật liệu TiO2 có cấu trúc nano
Luận án: Tính chất quang học của vật liệu TiO2 có cấu trúc nano
 
Tio2- graphene
Tio2- grapheneTio2- graphene
Tio2- graphene
 
Kỹ thuật xúc tác
Kỹ thuật xúc tác  Kỹ thuật xúc tác
Kỹ thuật xúc tác
 
Tính chất hấp phụ, xúc tác quang của vật liệu MIL-101(Cr), HAY
Tính chất hấp phụ, xúc tác quang của vật liệu MIL-101(Cr), HAYTính chất hấp phụ, xúc tác quang của vật liệu MIL-101(Cr), HAY
Tính chất hấp phụ, xúc tác quang của vật liệu MIL-101(Cr), HAY
 
Luận án: Xử lý phenol trong nước thải bằng ozon hóa kết hợp xúc tác - Gửi miễ...
Luận án: Xử lý phenol trong nước thải bằng ozon hóa kết hợp xúc tác - Gửi miễ...Luận án: Xử lý phenol trong nước thải bằng ozon hóa kết hợp xúc tác - Gửi miễ...
Luận án: Xử lý phenol trong nước thải bằng ozon hóa kết hợp xúc tác - Gửi miễ...
 
Đề tài: Khả năng xử lý độ màu nước thải dệt nhuộm bằng TiO2
Đề tài: Khả năng xử lý độ màu nước thải dệt nhuộm bằng TiO2Đề tài: Khả năng xử lý độ màu nước thải dệt nhuộm bằng TiO2
Đề tài: Khả năng xử lý độ màu nước thải dệt nhuộm bằng TiO2
 
Tổng hợp zeolite 4 a từ cao lanh và khảo sát khả năng hấp phụ ion amoni (nh4 ...
Tổng hợp zeolite 4 a từ cao lanh và khảo sát khả năng hấp phụ ion amoni (nh4 ...Tổng hợp zeolite 4 a từ cao lanh và khảo sát khả năng hấp phụ ion amoni (nh4 ...
Tổng hợp zeolite 4 a từ cao lanh và khảo sát khả năng hấp phụ ion amoni (nh4 ...
 
Cơ sở hóa học phân tích - Lâm Ngọc Thụ (ĐHQGHN)
Cơ sở hóa học phân tích - Lâm Ngọc Thụ (ĐHQGHN)Cơ sở hóa học phân tích - Lâm Ngọc Thụ (ĐHQGHN)
Cơ sở hóa học phân tích - Lâm Ngọc Thụ (ĐHQGHN)
 
Luận văn: Tổng hợp vật liệu LaFeO3 bằng phương pháp sol –gel
Luận văn: Tổng hợp vật liệu LaFeO3 bằng phương pháp sol –gelLuận văn: Tổng hợp vật liệu LaFeO3 bằng phương pháp sol –gel
Luận văn: Tổng hợp vật liệu LaFeO3 bằng phương pháp sol –gel
 
đáNh giá tuổi thọ của thép austenit 08 x18h10t trong bình sinh hơi nhà máy đi...
đáNh giá tuổi thọ của thép austenit 08 x18h10t trong bình sinh hơi nhà máy đi...đáNh giá tuổi thọ của thép austenit 08 x18h10t trong bình sinh hơi nhà máy đi...
đáNh giá tuổi thọ của thép austenit 08 x18h10t trong bình sinh hơi nhà máy đi...
 
Luận văn: Nghiên cứu tổng hợp nano đồng và ứng dụng, HAY
Luận văn: Nghiên cứu tổng hợp nano đồng và ứng dụng, HAYLuận văn: Nghiên cứu tổng hợp nano đồng và ứng dụng, HAY
Luận văn: Nghiên cứu tổng hợp nano đồng và ứng dụng, HAY
 
Luận án: Tổng hợp vật liệu nano hệ ZnO pha tạp Mn, Ce, C, HAY
Luận án: Tổng hợp vật liệu nano hệ ZnO pha tạp Mn, Ce, C, HAYLuận án: Tổng hợp vật liệu nano hệ ZnO pha tạp Mn, Ce, C, HAY
Luận án: Tổng hợp vật liệu nano hệ ZnO pha tạp Mn, Ce, C, HAY
 
Đề tài: Quá trình hình thành pha, cấu trúc vật liệu nano yfeo3, 9đ
Đề tài: Quá trình hình thành pha, cấu trúc vật liệu nano yfeo3, 9đĐề tài: Quá trình hình thành pha, cấu trúc vật liệu nano yfeo3, 9đ
Đề tài: Quá trình hình thành pha, cấu trúc vật liệu nano yfeo3, 9đ
 
Luận văn: Tổng hợp zeolite 4A từ cao lanh, HAY, 9đ
Luận văn: Tổng hợp zeolite 4A từ cao lanh, HAY, 9đLuận văn: Tổng hợp zeolite 4A từ cao lanh, HAY, 9đ
Luận văn: Tổng hợp zeolite 4A từ cao lanh, HAY, 9đ
 
Đề tài: Khảo sát cấu trúc, tính chất của vật liệu NaNo Nife2o4, 9đ
Đề tài: Khảo sát cấu trúc, tính chất của vật liệu NaNo Nife2o4, 9đĐề tài: Khảo sát cấu trúc, tính chất của vật liệu NaNo Nife2o4, 9đ
Đề tài: Khảo sát cấu trúc, tính chất của vật liệu NaNo Nife2o4, 9đ
 
Đề tài: Xử lý Cu2+ trong nước bằng vật liệu hấp phụ từ vỏ đậu tương
Đề tài: Xử lý Cu2+ trong nước bằng vật liệu hấp phụ từ vỏ đậu tươngĐề tài: Xử lý Cu2+ trong nước bằng vật liệu hấp phụ từ vỏ đậu tương
Đề tài: Xử lý Cu2+ trong nước bằng vật liệu hấp phụ từ vỏ đậu tương
 

Viewers also liked

Luận án tiến sĩ kỹ thuật nghiên cứu phản ứng hòa tan điện hóa tại dương cực (...
Luận án tiến sĩ kỹ thuật nghiên cứu phản ứng hòa tan điện hóa tại dương cực (...Luận án tiến sĩ kỹ thuật nghiên cứu phản ứng hòa tan điện hóa tại dương cực (...
Luận án tiến sĩ kỹ thuật nghiên cứu phản ứng hòa tan điện hóa tại dương cực (...https://www.facebook.com/garmentspace
 
Tổng hợp và khảo sát khả năng hấp phụ ion cd2 của vật liệu nano y0.7 sr0.3feo3
Tổng hợp và khảo sát khả năng hấp phụ ion cd2 của vật liệu nano y0.7 sr0.3feo3Tổng hợp và khảo sát khả năng hấp phụ ion cd2 của vật liệu nano y0.7 sr0.3feo3
Tổng hợp và khảo sát khả năng hấp phụ ion cd2 của vật liệu nano y0.7 sr0.3feo3https://www.facebook.com/garmentspace
 
Nghiên cứu chế tạo hệ xúc tác quang nano ti2 o.fe2o3 bằng phương pháp đồng kế...
Nghiên cứu chế tạo hệ xúc tác quang nano ti2 o.fe2o3 bằng phương pháp đồng kế...Nghiên cứu chế tạo hệ xúc tác quang nano ti2 o.fe2o3 bằng phương pháp đồng kế...
Nghiên cứu chế tạo hệ xúc tác quang nano ti2 o.fe2o3 bằng phương pháp đồng kế...https://www.facebook.com/garmentspace
 
Nghiên cứu chế tạo hạt nano bạc
Nghiên cứu chế tạo hạt nano bạcNghiên cứu chế tạo hạt nano bạc
Nghiên cứu chế tạo hạt nano bạcwww. mientayvn.com
 
TỔNG HỢP VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT TỪ CỦA HẠT NANO ÔXÍT SẮT (Fe2O3) NHẰM ỨNG DỤ...
TỔNG HỢP VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT TỪ CỦA HẠT NANO ÔXÍT SẮT (Fe2O3) NHẰM ỨNG DỤ...TỔNG HỢP VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT TỪ CỦA HẠT NANO ÔXÍT SẮT (Fe2O3) NHẰM ỨNG DỤ...
TỔNG HỢP VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT TỪ CỦA HẠT NANO ÔXÍT SẮT (Fe2O3) NHẰM ỨNG DỤ...www. mientayvn.com
 
Luận án tiến sĩ nghiên cứu tổng hợp vật liệu titan dioxit có hoạt tính xúc tá...
Luận án tiến sĩ nghiên cứu tổng hợp vật liệu titan dioxit có hoạt tính xúc tá...Luận án tiến sĩ nghiên cứu tổng hợp vật liệu titan dioxit có hoạt tính xúc tá...
Luận án tiến sĩ nghiên cứu tổng hợp vật liệu titan dioxit có hoạt tính xúc tá...https://www.facebook.com/garmentspace
 
Hoa hoc voi doi song
Hoa hoc voi doi songHoa hoc voi doi song
Hoa hoc voi doi songBích Huệ
 

Viewers also liked (11)

Nguyễn hoàng quỳnh như
Nguyễn hoàng quỳnh nhưNguyễn hoàng quỳnh như
Nguyễn hoàng quỳnh như
 
Luận án tiến sĩ kỹ thuật nghiên cứu phản ứng hòa tan điện hóa tại dương cực (...
Luận án tiến sĩ kỹ thuật nghiên cứu phản ứng hòa tan điện hóa tại dương cực (...Luận án tiến sĩ kỹ thuật nghiên cứu phản ứng hòa tan điện hóa tại dương cực (...
Luận án tiến sĩ kỹ thuật nghiên cứu phản ứng hòa tan điện hóa tại dương cực (...
 
Tổng hợp và khảo sát khả năng hấp phụ ion cd2 của vật liệu nano y0.7 sr0.3feo3
Tổng hợp và khảo sát khả năng hấp phụ ion cd2 của vật liệu nano y0.7 sr0.3feo3Tổng hợp và khảo sát khả năng hấp phụ ion cd2 của vật liệu nano y0.7 sr0.3feo3
Tổng hợp và khảo sát khả năng hấp phụ ion cd2 của vật liệu nano y0.7 sr0.3feo3
 
Nghiên cứu chế tạo hệ xúc tác quang nano ti2 o.fe2o3 bằng phương pháp đồng kế...
Nghiên cứu chế tạo hệ xúc tác quang nano ti2 o.fe2o3 bằng phương pháp đồng kế...Nghiên cứu chế tạo hệ xúc tác quang nano ti2 o.fe2o3 bằng phương pháp đồng kế...
Nghiên cứu chế tạo hệ xúc tác quang nano ti2 o.fe2o3 bằng phương pháp đồng kế...
 
Nghiên cứu chế tạo hạt nano bạc
Nghiên cứu chế tạo hạt nano bạcNghiên cứu chế tạo hạt nano bạc
Nghiên cứu chế tạo hạt nano bạc
 
TỔNG HỢP VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT TỪ CỦA HẠT NANO ÔXÍT SẮT (Fe2O3) NHẰM ỨNG DỤ...
TỔNG HỢP VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT TỪ CỦA HẠT NANO ÔXÍT SẮT (Fe2O3) NHẰM ỨNG DỤ...TỔNG HỢP VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT TỪ CỦA HẠT NANO ÔXÍT SẮT (Fe2O3) NHẰM ỨNG DỤ...
TỔNG HỢP VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT TỪ CỦA HẠT NANO ÔXÍT SẮT (Fe2O3) NHẰM ỨNG DỤ...
 
Luận án tiến sĩ nghiên cứu tổng hợp vật liệu titan dioxit có hoạt tính xúc tá...
Luận án tiến sĩ nghiên cứu tổng hợp vật liệu titan dioxit có hoạt tính xúc tá...Luận án tiến sĩ nghiên cứu tổng hợp vật liệu titan dioxit có hoạt tính xúc tá...
Luận án tiến sĩ nghiên cứu tổng hợp vật liệu titan dioxit có hoạt tính xúc tá...
 
Hoa hoc voi doi song
Hoa hoc voi doi songHoa hoc voi doi song
Hoa hoc voi doi song
 
Chuong2
Chuong2Chuong2
Chuong2
 
Động học hóa lý
Động học hóa lýĐộng học hóa lý
Động học hóa lý
 
Nhiễu xạ tia X
Nhiễu xạ tia XNhiễu xạ tia X
Nhiễu xạ tia X
 

Similar to Luan van ha

Luận văn: Nghiên cứu tổng hợp và biến tính vật liệu cacbon nano từ vỏ trấu dù...
Luận văn: Nghiên cứu tổng hợp và biến tính vật liệu cacbon nano từ vỏ trấu dù...Luận văn: Nghiên cứu tổng hợp và biến tính vật liệu cacbon nano từ vỏ trấu dù...
Luận văn: Nghiên cứu tổng hợp và biến tính vật liệu cacbon nano từ vỏ trấu dù...Dịch vụ viết thuê Khóa Luận - ZALO 0932091562
 
Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính cellulase của các chủng vi khu...
Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính cellulase của các chủng vi khu...Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính cellulase của các chủng vi khu...
Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính cellulase của các chủng vi khu...TÀI LIỆU NGÀNH MAY
 
Thử nghiệm khả năng hấp phụ kẽm (zn) của tro xỉ lò đốt rác thải sinh hoạt
Thử nghiệm khả năng hấp phụ kẽm (zn) của tro xỉ lò đốt rác thải sinh hoạtThử nghiệm khả năng hấp phụ kẽm (zn) của tro xỉ lò đốt rác thải sinh hoạt
Thử nghiệm khả năng hấp phụ kẽm (zn) của tro xỉ lò đốt rác thải sinh hoạtTÀI LIỆU NGÀNH MAY
 
Luận án: Nghiên cứu mô hình kết hợp giữa bãi lọc trồng cây và hồ sinh học để ...
Luận án: Nghiên cứu mô hình kết hợp giữa bãi lọc trồng cây và hồ sinh học để ...Luận án: Nghiên cứu mô hình kết hợp giữa bãi lọc trồng cây và hồ sinh học để ...
Luận án: Nghiên cứu mô hình kết hợp giữa bãi lọc trồng cây và hồ sinh học để ...Viết thuê trọn gói ZALO 0934573149
 
[123doc] - nghien-cuu-giai-phap-nang-cao-on-dinh-cho-mai-doc-chinh-dien-nha-m...
[123doc] - nghien-cuu-giai-phap-nang-cao-on-dinh-cho-mai-doc-chinh-dien-nha-m...[123doc] - nghien-cuu-giai-phap-nang-cao-on-dinh-cho-mai-doc-chinh-dien-nha-m...
[123doc] - nghien-cuu-giai-phap-nang-cao-on-dinh-cho-mai-doc-chinh-dien-nha-m...TieuNgocLy
 
đáNh giá hiệu quả của hệ thống xử lý nước thải nhà máy cốc hóa công ty cổ phầ...
đáNh giá hiệu quả của hệ thống xử lý nước thải nhà máy cốc hóa công ty cổ phầ...đáNh giá hiệu quả của hệ thống xử lý nước thải nhà máy cốc hóa công ty cổ phầ...
đáNh giá hiệu quả của hệ thống xử lý nước thải nhà máy cốc hóa công ty cổ phầ...TÀI LIỆU NGÀNH MAY
 
Nghiên cứu chế tạo và sử dụng vật liệu nano bạc, đồng, sắt để xử lý vi khuẩn ...
Nghiên cứu chế tạo và sử dụng vật liệu nano bạc, đồng, sắt để xử lý vi khuẩn ...Nghiên cứu chế tạo và sử dụng vật liệu nano bạc, đồng, sắt để xử lý vi khuẩn ...
Nghiên cứu chế tạo và sử dụng vật liệu nano bạc, đồng, sắt để xử lý vi khuẩn ...jackjohn45
 
[123doc] nghien-cuu-che-tao-va-su-dung-vat-lieu-nano-bac-dong-sat-de-xu-ly-...
[123doc]   nghien-cuu-che-tao-va-su-dung-vat-lieu-nano-bac-dong-sat-de-xu-ly-...[123doc]   nghien-cuu-che-tao-va-su-dung-vat-lieu-nano-bac-dong-sat-de-xu-ly-...
[123doc] nghien-cuu-che-tao-va-su-dung-vat-lieu-nano-bac-dong-sat-de-xu-ly-...jackjohn45
 
Luận án: Phân lập và khảo sát tính chất toxin mới từ nọc bò cạp - Gửi miễn ph...
Luận án: Phân lập và khảo sát tính chất toxin mới từ nọc bò cạp - Gửi miễn ph...Luận án: Phân lập và khảo sát tính chất toxin mới từ nọc bò cạp - Gửi miễn ph...
Luận án: Phân lập và khảo sát tính chất toxin mới từ nọc bò cạp - Gửi miễn ph...Dịch vụ viết bài trọn gói ZALO: 0909232620
 
37407162 phan-tich-hop-chat-bang-quang-pho-vina ebookchemistryhere
37407162 phan-tich-hop-chat-bang-quang-pho-vina ebookchemistryhere37407162 phan-tich-hop-chat-bang-quang-pho-vina ebookchemistryhere
37407162 phan-tich-hop-chat-bang-quang-pho-vina ebookchemistryherehoatuongvi_hn
 
Luận văn: Nghiên cứu biến tính than hoạt tính làm vật liệu hấp phụ xử lý amon...
Luận văn: Nghiên cứu biến tính than hoạt tính làm vật liệu hấp phụ xử lý amon...Luận văn: Nghiên cứu biến tính than hoạt tính làm vật liệu hấp phụ xử lý amon...
Luận văn: Nghiên cứu biến tính than hoạt tính làm vật liệu hấp phụ xử lý amon...Dịch vụ viết thuê Khóa Luận - ZALO 0932091562
 

Similar to Luan van ha (20)

Luận văn: Nghiên cứu tổng hợp và biến tính vật liệu cacbon nano từ vỏ trấu dù...
Luận văn: Nghiên cứu tổng hợp và biến tính vật liệu cacbon nano từ vỏ trấu dù...Luận văn: Nghiên cứu tổng hợp và biến tính vật liệu cacbon nano từ vỏ trấu dù...
Luận văn: Nghiên cứu tổng hợp và biến tính vật liệu cacbon nano từ vỏ trấu dù...
 
Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính cellulase của các chủng vi khu...
Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính cellulase của các chủng vi khu...Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính cellulase của các chủng vi khu...
Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính cellulase của các chủng vi khu...
 
Luận văn: Nghiên cứu khả năng xử lý thuốc kháng sinh họ β- lactam trong môi t...
Luận văn: Nghiên cứu khả năng xử lý thuốc kháng sinh họ β- lactam trong môi t...Luận văn: Nghiên cứu khả năng xử lý thuốc kháng sinh họ β- lactam trong môi t...
Luận văn: Nghiên cứu khả năng xử lý thuốc kháng sinh họ β- lactam trong môi t...
 
Thử nghiệm khả năng hấp phụ kẽm (zn) của tro xỉ lò đốt rác thải sinh hoạt
Thử nghiệm khả năng hấp phụ kẽm (zn) của tro xỉ lò đốt rác thải sinh hoạtThử nghiệm khả năng hấp phụ kẽm (zn) của tro xỉ lò đốt rác thải sinh hoạt
Thử nghiệm khả năng hấp phụ kẽm (zn) của tro xỉ lò đốt rác thải sinh hoạt
 
Luận văn: Khả năng hấp phụ Cu(II) và Pb(II) của quặng apatit, HAY
Luận văn: Khả năng hấp phụ Cu(II) và Pb(II) của quặng apatit, HAYLuận văn: Khả năng hấp phụ Cu(II) và Pb(II) của quặng apatit, HAY
Luận văn: Khả năng hấp phụ Cu(II) và Pb(II) của quặng apatit, HAY
 
Luận án: Nghiên cứu mô hình kết hợp giữa bãi lọc trồng cây và hồ sinh học để ...
Luận án: Nghiên cứu mô hình kết hợp giữa bãi lọc trồng cây và hồ sinh học để ...Luận án: Nghiên cứu mô hình kết hợp giữa bãi lọc trồng cây và hồ sinh học để ...
Luận án: Nghiên cứu mô hình kết hợp giữa bãi lọc trồng cây và hồ sinh học để ...
 
Luận văn: Phân tích và đánh giá hàm lượng muối borat trong thực phẩm truyền t...
Luận văn: Phân tích và đánh giá hàm lượng muối borat trong thực phẩm truyền t...Luận văn: Phân tích và đánh giá hàm lượng muối borat trong thực phẩm truyền t...
Luận văn: Phân tích và đánh giá hàm lượng muối borat trong thực phẩm truyền t...
 
Luận văn: Đánh giá hàm lượng muối borat trong thực phẩm ở Huế
Luận văn: Đánh giá hàm lượng muối borat trong thực phẩm ở HuếLuận văn: Đánh giá hàm lượng muối borat trong thực phẩm ở Huế
Luận văn: Đánh giá hàm lượng muối borat trong thực phẩm ở Huế
 
[123doc] - nghien-cuu-giai-phap-nang-cao-on-dinh-cho-mai-doc-chinh-dien-nha-m...
[123doc] - nghien-cuu-giai-phap-nang-cao-on-dinh-cho-mai-doc-chinh-dien-nha-m...[123doc] - nghien-cuu-giai-phap-nang-cao-on-dinh-cho-mai-doc-chinh-dien-nha-m...
[123doc] - nghien-cuu-giai-phap-nang-cao-on-dinh-cho-mai-doc-chinh-dien-nha-m...
 
đáNh giá hiệu quả của hệ thống xử lý nước thải nhà máy cốc hóa công ty cổ phầ...
đáNh giá hiệu quả của hệ thống xử lý nước thải nhà máy cốc hóa công ty cổ phầ...đáNh giá hiệu quả của hệ thống xử lý nước thải nhà máy cốc hóa công ty cổ phầ...
đáNh giá hiệu quả của hệ thống xử lý nước thải nhà máy cốc hóa công ty cổ phầ...
 
Nghiên cứu chế tạo và sử dụng vật liệu nano bạc, đồng, sắt để xử lý vi khuẩn ...
Nghiên cứu chế tạo và sử dụng vật liệu nano bạc, đồng, sắt để xử lý vi khuẩn ...Nghiên cứu chế tạo và sử dụng vật liệu nano bạc, đồng, sắt để xử lý vi khuẩn ...
Nghiên cứu chế tạo và sử dụng vật liệu nano bạc, đồng, sắt để xử lý vi khuẩn ...
 
[123doc] nghien-cuu-che-tao-va-su-dung-vat-lieu-nano-bac-dong-sat-de-xu-ly-...
[123doc]   nghien-cuu-che-tao-va-su-dung-vat-lieu-nano-bac-dong-sat-de-xu-ly-...[123doc]   nghien-cuu-che-tao-va-su-dung-vat-lieu-nano-bac-dong-sat-de-xu-ly-...
[123doc] nghien-cuu-che-tao-va-su-dung-vat-lieu-nano-bac-dong-sat-de-xu-ly-...
 
Luận án: Phân lập và khảo sát tính chất toxin mới từ nọc bò cạp - Gửi miễn ph...
Luận án: Phân lập và khảo sát tính chất toxin mới từ nọc bò cạp - Gửi miễn ph...Luận án: Phân lập và khảo sát tính chất toxin mới từ nọc bò cạp - Gửi miễn ph...
Luận án: Phân lập và khảo sát tính chất toxin mới từ nọc bò cạp - Gửi miễn ph...
 
Sự phát sinh đột biến ở thế hệ M2 của dòng lúa chịu hạn, HOT
Sự phát sinh đột biến ở thế hệ M2 của dòng lúa chịu hạn, HOTSự phát sinh đột biến ở thế hệ M2 của dòng lúa chịu hạn, HOT
Sự phát sinh đột biến ở thế hệ M2 của dòng lúa chịu hạn, HOT
 
Thực trạng công tác văn thư, lưu trữ tại trường THPT, CĐ, Đại học!
Thực trạng công tác văn thư, lưu trữ tại trường THPT, CĐ, Đại học!Thực trạng công tác văn thư, lưu trữ tại trường THPT, CĐ, Đại học!
Thực trạng công tác văn thư, lưu trữ tại trường THPT, CĐ, Đại học!
 
Luận văn: Nghiên cứu Chế tạo vật liệu nanocomposit Graphen OxitMnO2 và ứng dụ...
Luận văn: Nghiên cứu Chế tạo vật liệu nanocomposit Graphen OxitMnO2 và ứng dụ...Luận văn: Nghiên cứu Chế tạo vật liệu nanocomposit Graphen OxitMnO2 và ứng dụ...
Luận văn: Nghiên cứu Chế tạo vật liệu nanocomposit Graphen OxitMnO2 và ứng dụ...
 
Đề tài: Khả năng hấp thụ Niken trong nước của cây rong đuôi chồn
Đề tài: Khả năng hấp thụ Niken trong nước của cây rong đuôi chồnĐề tài: Khả năng hấp thụ Niken trong nước của cây rong đuôi chồn
Đề tài: Khả năng hấp thụ Niken trong nước của cây rong đuôi chồn
 
37407162 phan-tich-hop-chat-bang-quang-pho-vina ebookchemistryhere
37407162 phan-tich-hop-chat-bang-quang-pho-vina ebookchemistryhere37407162 phan-tich-hop-chat-bang-quang-pho-vina ebookchemistryhere
37407162 phan-tich-hop-chat-bang-quang-pho-vina ebookchemistryhere
 
Luận án: Hiệu ứng vật lý mới trong các mô hình 3-3-1, HAY
Luận án: Hiệu ứng vật lý mới trong các mô hình 3-3-1, HAYLuận án: Hiệu ứng vật lý mới trong các mô hình 3-3-1, HAY
Luận án: Hiệu ứng vật lý mới trong các mô hình 3-3-1, HAY
 
Luận văn: Nghiên cứu biến tính than hoạt tính làm vật liệu hấp phụ xử lý amon...
Luận văn: Nghiên cứu biến tính than hoạt tính làm vật liệu hấp phụ xử lý amon...Luận văn: Nghiên cứu biến tính than hoạt tính làm vật liệu hấp phụ xử lý amon...
Luận văn: Nghiên cứu biến tính than hoạt tính làm vật liệu hấp phụ xử lý amon...
 

Luan van ha

  • 1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA CÔNG NGHỆ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TỔNG HỢP BỘT HA TỪ VỎ SÒ VÀ THỬ NGHIỆM HOẠT TÍNH HẤP PHỤ VỚI ION ĐỒNG (II) CÁN BỘ HƯỚNG DẪN SV THỰC HIỆN: Thầy Nguyễn Việt Bách Huỳnh Ngọc Nê MSSV: 2102375 Ngành: Công nghệ hóa học-Khóa 36 Tháng 12/2014
  • 2. Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách S MỤC LUC MỤC LUC...............................................................................................................................ii TÓM TẮT .............................................................................................................................. vi DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................................vii DANH MỤC HÌNH........................................................................................................... viii DANH MỤC BẢNG...............................................................................................................x LỜI NÓI ĐẦU......................................................................................................................xii CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU VỀ HYDROXYAPATITE ................................................1 1.1 Tính chất của Hydroxyapatite ........................................................................1 1.1.1 Tính chất vật lý ...........................................................................................1 1.1.2 Tính chất hóa học .......................................................................................2 1.1.3 Tính chất sinh học ......................................................................................3 1.2 Ứng dụng của bột HA .......................................................................................4 1.2.1 Ứng dụng của HA dạng bột......................................................................4 1.2.2 Ứng dụng của HA dạng khối xốp............................................................5 1.2.3 Ứng dụng của HA dạng composit...........................................................5 1.2.4 Ứng dụng của HA trong hấp phụ các ion kim loại nặng...................6 1.2.5 Ứng dụng của HA dạng ceramic.............................................................6 1.3 Các phương pháp tổng hợp vật liệu HA.......................................................6 1.3.1 Phương pháp sol – gel................................................................................6 1.3.2 Phương pháp điện hóa............................................................................ 10 1.3.2.1 Phương pháp kết tủa catot............................................................. 10 1.3.2.2 Phương pháp anot hóa.................................................................... 10 1.3.2.3 Phương pháp điện di....................................................................... 11 1.3.3 Phương pháp thủy nhiệt ........................................................................ 11 1.3.4 Phương pháp phản ứng pha rắn:......................................................... 17 1.3.5 Phương pháp hóa – cơ ............................................................................ 18 1.4 Một số phương pháp nghiên cứu vật liệu HA........................................... 19
  • 3. Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang ii 1.4.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD, X – Ray)................................... 19 1.4.2 Phương pháp hiển vi điện tử SEM ...................................................... 22 CHƯƠNG II: ĐẠI CƯƠNG VỀ KIM LOẠI NẶNG.................................................. 23 2.1 Kim loại nặng................................................................................................... 23 2.1.1 Khái niệm.................................................................................................. 23 2.1.2 Tính chất của kim loại nặng.................................................................. 23 2.1.3 Giới thiệu về ion đồng và độc tính của đồng ..................................... 24 2.1.3.1 Ion đồng (Cu2+)................................................................................. 24 2.1.3.2 Độc tính của đồng ............................................................................ 24 2.2 Lý thuyết về hấp phụ...................................................................................... 25 2.2.1 Hiện tượng hấp phụ................................................................................ 25 2.2.2 Phân loại các quá trình hấp phụ .......................................................... 25 2.2.3 Cân bằng hấp phụ ................................................................................... 26 2.2.4 Dung lượng hấp phụ cân bằng ............................................................. 26 2.2.5 Hiệu suất hấp phụ.................................................................................... 27 2.2.6 Mô hình động học hấp phụ.................................................................... 27 2.2.7 Các phương trình đẳng nhiệt hấp phụ ............................................... 27 2.2.7.1 Phương trình Freundlich............................................................... 28 2.2.7.2 Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Henry................................... 28 2.2.7.3 Phương trình Langmuir................................................................. 28 CHƯƠNG III: THỰC NGHIỆM .................................................................................... 31 3.1 Hóa chất, nguyên liệu và dụng cụ thiết bị ................................................. 31 3.1.1 Hóa chất..................................................................................................... 31 3.1.2 Nguyên liệu................................................................................................ 31 3.1.3 Dụng cụ...................................................................................................... 33 3.1.4 Thiết bị....................................................................................................... 33 3.2 Đia điểm và thời gian thực hiện................................................................... 33 3.3 Tổng hợp bột HA ............................................................................................ 33 3.3.1 Qui trình tạo bột CaO từ vỏ sò............................................................. 33 3.3.2 Quy trình điều chế HA được mô tả như sau ..................................... 35
  • 4. Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang iii 3.3.3 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ chất phản ứng đến chất lượng bột HA........................................................................................................................... 36 3.3.4 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến chất lượng của bột HA........................................................................................................................... 37 3.3.5 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến chất lượng của bột HA ......................................................................................................................................... 37 3.4 Nghiên cứu hấp phụ ....................................................................................... 37 3.4.1 Chuẩn bị hóa chất và dung dịch........................................................... 38 3.4.2 Cách phân tích xác định nồng độ ion Cu2+ ........................................ 38 3.4.3 Phương pháp nghiên cứu quá trình hấp phụ.................................... 39 3.4.5 Các vấn đề khảo sát................................................................................. 40 3.4.5.1 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian hấp phụ Cu2+ ..................... 40 3.4.5.2 Khảo sát đông học hấp phụ Cu2+ the mô hình Langmuir ...... 40 3.4.5.3 Khảo sát hàm lượng HA đến khả năng hấp phụ Cu2+ ............ 41 3.4.5.4 Khảo sát ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ Cu2+ ..... 42 CHƯƠNG IV: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN............................................................... 43 4.1 Tổng hợp bột HA ............................................................................................ 43 4.1.1 Quy trình tổng hợp bột HA................................................................... 43 4.1.2 Nghiên cứu ảnh hưởng nồng độ tác chất đến sự hình thành HA . 43 4.1.3 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến sự hình thành HA ......................................................................................................................................... 45 4.1.4 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến sự hình thành HA.... 47 4.1.5 Xác định hình thái và kich thước hạt thông qua ảnh SEM .......... 49 4.2 Khảo sát hấp phụ ion Cu2+............................................................................ 50 4.2.1 Khảo sát ảnh hưởng thời gian đến quá trình hấp phụ Cu2+ .......... 50 4.2.2 Nghiên cứu hấp phụ đẳng nhiệt theo mô hình Langmuir.............. 51 4.2.3 Khảo sát ảnh hưởng lượng chất hấp phụ HA đến quá trình hấp phụ Cu2+........................................................................................................................ 54 4.2.4 Khảo sát ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ ion Cu2+ ...... 55 CHƯƠNG V: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................ 57 5.1 Kết luận ............................................................................................................. 57
  • 5. Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang iv 5.1.1 Tổng hợp bột HA..................................................................................... 57 5.1.2 Khảo sát hấp phụ ion Cu2+ .................................................................... 57 5.2 Kiến nghị........................................................................................................... 57 LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................................... 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 60
  • 6. Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang v
  • 7. Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang vi TÓM TẮT Trong luận văn này tập trung nghiên cứu một số điều kiện tổng hợp HA theo phương pháp kết tủa từ nguyên liệu rẻ tiền và có nguồn cung cấp dồi dào là vỏ sò tự nhiên và axit photphoric. Kết quả đã tồng hợp được bột HA đơn pha, có kich thước hạt tinh thể tương đối đồng điều với đường kính hạt thay đổi trong khoảng 91,3 – 145 nm, dài khoảng 91,3 – 187 nm Vỏ sò sau khi thu gom được rửa sạch và sấy khô. Vỏ sò sau khi đã rửa sạch và sấy khô được nghiền mịn trong máy nghiền bi. Sau quá trình nghiền bột vỏ sò được nung ở nhiệt độ 900 C trong 3 giờ để đảm bảo CaCO3 phân hủy hoàn toàn thành CaO. Bột CaO được bảo quản trong hộp nhựa kín dùng làm nguyên liệu tổng hợp HA. Cân một lượng bột CaO thích hợp cho vào 100 ml nước cất khuấy khoảng 30 phút, cho phản ứng với axit phosphoric ứng với các nồng độ mol khảo sát ( CaCO3 2M – H3PO4 1,2M; CaCO3 1,5M – H3PO4 0,9 M; CaCO3 0,5M – H3PO4 0,3M; CaCO3 0,15M – H3PO4 0,09M) trong 4 giờ tại các nhiệt độ nghiên cứu (30 C, 60 C, 90 C), pH của môi trường phản ứng được giữ khoảng 10 – 12 bằng dung dịch NH3 25%. Sau đó già hóa dung dịch trong 72 tiếng, đem lọc chân không rồi sấy khô ở nhiệt độ khoảng 60 trong khoảng 72 giờ. Tiếp theo sản phẩm sau phản ứng được nung tại các nhiệt độ khảo sát (100 C, 500 C, 700 C, 900 C, 1100 C) trong 4 giờ. Bột HA được tổng hợp ở nồng độ tác chất phản ứng CaCO3 0,5M – H3PO4 0,3M, nhiệt độ phản ứng 90 C, nhiệt độ nung 900 C là tốt ưu. Để phân tích và đánh giá bột HA sử dụng các phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD), hiển vi điện tử (SEM). Bột HA tinh khiết được tiến hành nghiên cứu hấp phụ với ion Cu2+. Từ kết quả thí nghiệm cho thấy thời gian hấp phụ tốt nhất đối với ion Cu2+ là 4 giờ. Cơ chế hấp phụ tuân theo phương trình đẳng nhiệt Langmuir với dung lượng hấp phụ cực đại là 45,87 mg/g. Hàm lượng hấp phụ tốt nhất của bột HA là 200 mg trong 100 ml dung dịch ion Cu2+ nồng độ196,693 mg/L . Giá trị pH hiệu quả nhất trong quá trình hấp phụ ion Cu2+ là 5.
  • 8. Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang vii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ASTM (American Society for Testing and Materials): hiệp hội vật liệu và thử nghiệm Hoa Kỳ – TCP: Beta Tri – Calcium phosphate JCPDS (Joint Committee on Powder Diffraction Standards): thẻ tiêu chuẩn về giản đồ nhiễu xạ tia X SBF (Simulated Body Fluid): dung dịch sinh học nhân tạo SEM (Scanning Electron Microcope): kính hiển vi điện tử quét XRD (X – ray Diffraction): phổ nhiễu xạ tia X
  • 9. Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang viii DANH MỤC HÌNH Hình 1-1 Các dạng tồn tại của tinh thể HA, (a) dạng hình que, b) dạng hình trụ, (c) dạng hình cầu, (d) dạng hình sợi, (e) dạng hình vảy, (f) dạng hình kim (Vũ Thị Diệu, 2009) ...............................................................................................................................1 Hình 1-2 Cấu trúc ô mạng cơ sở của tinh thể HA, (a) dạng lục phương, (b) dạng đơn tà ........................................................................................................................................2 Hình 1-3 Công thức cấu tạo của phân tử HA ..................................................................2 Hình 1-4 Thuốc bổ sung canxi sử dụng nguyên liệu HA dạng vi tinh thể.................5 Hình 1-5 Sơ đồ nguyên lý của phương pháp Sol – Gel..................................................7 Hình 1-6 Quá trình tổng hợp HA bằng phương pháp sol – gel từ Ca(NO3)2.4H2O và (NH4)2HPO4 ........................................................................................................................8 Hình 1-7 Quá trình tổng hợp HA bằng phương pháp Sol – Gel từ H3PO4 và Ca(NO3)2.4H2O .................................................................................................................... 10 Hình 1-8 Sơ đồ nguyên lý của phương pháp điện di ................................................... 11 Hình 1-9 Sơ đồ nguyên lý của phương pháp kết tủa................................................... 14 Hình 1-10 Tổng hợp HA bằng phương pháp kết tủa từ Ca(OH)2 và H3PO4......... 15 Hình 1-11 Điều chế HA dạng bột từ Ca(NO3)24H2O và (NH4)2HPO4 ..................... 16 Hình 1-12 Sơ đồ tổng hợp HA dạng bột......................................................................... 17 Hình 1-13 Sơ đồ nguyên lý, cấu tạo thiết bị của phương pháp nhiễu xạ tia X ...... 19 Hình 1-14 Giản đồ nhiễu xạ tia X của HA..................................................................... 21 Hình 1-15 Giản đồ nhiễu xạ tia X của HA và TCP...................................................... 21 Hình 1-16 Giản đồ nhiễu xạ tia X của HA và TCP...................................................... 22 Hình 2-1 Đường hấp phụ đẳng nhiệt Languir.............................................................. 29 Hình 2-2 Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb ...................................................................... 30 Hình 3-1 Nguyên liệu vỏ sò được rửa sạch .................................................................... 31 Hình 3-2 Ảnh SEM của vỏ sò tự nhiên với độ phóng đại khác nhau....................... 32 Hình 3-3 Quy trình điều chế bột CaO ............................................................................ 34 Hình 3-4 Bột CaO tạo từ vỏ sò ......................................................................................... 34
  • 10. Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang ix Hình 3-5 (a) mô hình tạo bột HA bằng phản ứng thủy nhiệt, (b) già hóa hỗn hợp huyền phù sau phản ứng, (c) sản phẩm sau khi lọc và sấy khô ................................ 35 Hình 3-6 Quy trình tổng hợp bột HA ............................................................................. 36 Hình 3-7 Quá trình hấp phụ ion Cu2+ bằng bột HA.................................................... 38 Hình 3-8 Bột HA trước và sau quá trình hấp phụ....................................................... 38 Hình 3-9 Sự thay đổi màu sắc trong quá trình chuẩn độ (A) màu dung dịch Cu2+ ban đầu, (B) màu dung dịch Cu2+ khi cho chất chỉ thị Murexit vào, (C) màu dung dịch Cu2+ khi cho NH3 vào, (D) màu dung dịch Cu2+ sau khi chuẩn độ với EDTA ................................................................................................................................................. 39 Hình 4-1 Ảnh hưởng của nồng độ tác chất đến độ tinh khiết của HA được điều chế ở các nồng độ (a) Ca(OH)2 0,015 M - H3PO4 0,09 M; (b) Ca(OH)2 0,5 M - H3PO4 0,3 M; (c) Ca(OH)2 0,15 M - H3PO4 0,9 M; (d) Ca(OH)2 2 M - H3PO4 1,2 M ................................................................................................................................................. 44 Hình 4-2 Ảnh hưởng nhiệt độ phản ứng đến độ tinh khiết của HA (a) 30C, (b) 60 C, (c) 90 C.......................................................................................................................... 45 Hình 4-3 Ảnh hưởng nhiệt độ đến sự hình thành tinh thể HA (a) 100 C, (b) 500 C, (c) 700 C, (d) 900 C, (e) 1100 C............................................................................ 48 Hình 4-4 Bột HA tổng hợp bằng phương pháp kết tủa.............................................. 48 Hình 4-5 Ảnh SEM của mẫu bột HA tổng hợp ở nhiệt độ phản ứng 90 C, nhiệt độ nung 900 C và nồng độ Ca(OH)2 0,5 M và H3PO4 0,3 M.................................... 49 Hình 4-6 Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến dung lượng hấp phụ ion Cu2+ 50 Hình 4-7 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir đối với Cu2+ ................................... 52 Hình 4-8 Dạng tuyến tính của phương trình hấp phụ Langmuir ............................ 53 Hình 4-9 Ảnh hưởng hàm lượng HA đến dung lượng hấp phụ ion Cu2+ ............... 54 Hình 4-10 Ảnh hưởng hàm lượng HA đến dung lượng hấp phụ ion Cu2+ ............. 55
  • 11. Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang x DANH MỤC BẢNG Bảng 3-1 Thành phần nguyên tố và hàm lượng CaCO3 của vỏ sò........................... 32 Bảng 3-2 Các thông số thực nghiệm của nồng độ chất phản ứng khảo sát............ 36 Bảng 3-3 Các thông số thực nghiệm của nhiệt độ khảo sát ....................................... 37 Bảng 3-4 Các thông số thực nghiệm của nhiệt độ nung cần khảo sát ..................... 37 Bảng 4-1 Ảnh hưởng thời gian đến quá trình hấp phụ Cu2+..................................... 50 Bảng 4-2 Mối quan hệ của dung lượng hấp phụ vào nồng độ đầu Cu2+ ................. 51 Bảng 4-3 Các thông số của phương trình Langmuir................................................... 53 Bảng 4-4 Ảnh hưởng của lượng HA đến khả năng hấp phụ ion Cu2+..................... 54 Bảng 4-5 Ảnh hưởng của lượng HA đến khả năng hấp phụ ion Cu2+..................... 55
  • 12. Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang xi
  • 13. Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang xii LỜI NÓI ĐẦU Do sự pháp triển nhanh chóng của khoa học, kỹ thuật và sự tăng dân số mà hiện nay vấn đề ô nhiễm môi trường nước đang trở thành vấn nạn của nhiều quốc gia. Một trong những nguyên nhân chủ yếu đó là các chất thải công nghiệp và các chất thải sinh hoạt chứa các kim loại nặng như Cu, Zn, Pb, Ni,...và những hợp chất hữu cơ độc hại. Đặc biệt là sự thải bỏ các chất thải rắn và nước thải của các hoạt động khai thác mỏ, công nghiệp thuộc da, công nghiệp điện tử, mạ điện, lọc hóa dầu hay công nghiệp dệt nhộm,… ngày càng gây ô nhiễm trầm trọng môi trường nước. Ở nước ta, quá trình phát triển các khu công nghiệp, các khu chế xuất đã góp phần tăng trưởng kinh tế, thúc đẩy đầu tư và sản xuất công nghiệp, góp phần hình thành các khu đô thị mới,.... Tuy nhiên, bên cạnh sự chuyển biến tích cực của kinh tế là những tác động xấu đến môi trường sinh thái do các khu công nghiệp gây ra. Thực tế, hiện nay có rất nhiều nhà máy ở các khu công nghiệp vẫn hằng ngày thải trực tiếp nước thải có chứa các ion kim loại nặng với hàm lượng vượt quá giới hạn cho phép ra môi trường. Hậu quả là môi trường nước kể cả nước mặt và nước ngầm ở nhiều khu vực đang bị ô nhiễm kim loại nặng nghiệm trọng. Do đó, nhiều nhà khoa học đã và đang nghiên cứu tách các ion kim loại nặng và hợp chất hữu cơ độc hại từ các nguồn nước bị ô nhiễm nhằm bảo vệ sức khỏe cộng đồng và sự phát triển bền vững của môi trường sinh thái. Đã có nhiều phương pháp được sử dụng như: phương pháp hóa lý (phương pháp hấp phụ, phương pháp trap đổi ion,…), phương pháp sinh học, phương pháp hóa học,… Trong đó, phương pháp hấp phụ được sử dụng rộng rãi do có nhiều ưu điểm như xử lý nhanh, dễ chế tạo thiết bị và đặc biệt là có thể tái sử dụng vật liệu hấp phụ. Hơn nữa việc chế tạo các vật liệu hấp phụ từ các nguồn nguyên liệu rẽ tiền và có nguồn gốc tự nhiên như các loại phế thải từ nông nghiệp, nuôi trồng hải sản đang quan tâm hơn cả. Nước ta nằm trong khu vực Đông Nam Á, với đường bờ biển được kéo dài từ Bắc xuống Nam, nên việc nuôi trồng và chế biến hải sản cũng pháp triển mạnh, bên cạnh đó, một lượng lớn các chất thải từ loại hình này bị thải bỏ từ các bãi biển, cũng như các cơ sở nuôi trồng đánh bắt và chế biến hải sản, gây mất vẻ mỹ quan đô thị trong khu vực, cũng như ảnh hưởng đến môi trường sinh thái. Do đó, việc tận dụng các
  • 14. Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang xiii nguồn nguyên liệu này để điều chế thành các vật liệu xử lý môi trường không những giải quyết được vấn đề tận dụng các phế thải chế biến thủy sản, tăng giá trị sản xuất, nuôi trồng thủy sản mà còn chế tạo vật liệu thân thiên môi trường và chi phí thấp. HA tự nhiên và nhân tạo ở các dạng (bột, xốp, màng mỏng) đều là những vật liệu có tính tương thích sinh học cao, đang được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực y học bởi nó có những đặc tính quý giá như: các lỗ xốp liên thông với nhau làm cho các mô sợi, mạch máu dễ dàng xâm nhập, tính tương thích sinh học cao với các tế bào và mô, có tính dẫn xương tốt, tạo liên kết trực tiếp với xương non dẫn đến sự tái sinh xương nhanh mà không bị cơ thể đào thải. Bên cạnh những ứng dụng tuyệt vời trong lĩnh vực y học. Hiện này, HA còn được nghiên cứu ứng dụng xử lý nước thải, do khả năng hấp phụ tốt các ion kim loại nặng. Từ những vấn đề trên, tôi chọn đề tài: “Điều chế bột HA từ vỏ sò và thử nghiệm hoạt tính hấp phụ với ion đồng (II)” Với những mục tiêu đề ra, đề tài nghiên cứu các nội dung sau:  Điều chế bột HA từ vỏ sò.  Khảo sát khả năng hấp phụ ion Cu2+ của vật liệu hấp phụ bột HA.
  • 15. Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 1 CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU VỀ HYDROXYAPATITE 1.1 Tính chất của Hydroxyapatite 1.1.1 Tính chất vật lý Hydroxyapatite (HA) là tinh thể có màu vàng nhạt, trắng ngà, trắng hoặc xanh lơ, tùy theo điều kiện hình thành, kích thước hạt và trạng thái tập hợp. HA có khối lượng phân tử 1004,60 g, tỷ trọng riêng là 3,156 g/cm3 , nhiệt độ nóng chảy 1760 C, nhiệt độ sôi 2850 C, độ cứng theo thang Mohs bằng 5 và tích số tan là 2,12.10-118 (D W. Fowler, 2004, Nguyễn Văn Hường, 2011). HA tự nhiên và nhân tạo thường tồn tại ở các dạng tinh thể sau: dạng hình que, hình kim, hình vảy,…(Wikipedia, 2014). Có thể nhận biết được các dạng của tinh thể HA nhờ sử dụng phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) hoặc hiển vi điện tử truyền qua (TEM). Hình 1-1 Các dạng tồn tại của tinh thể HA, (a) dạng hình que, b) dạng hình trụ, (c) dạng hình cầu, (d) dạng hình sợi, (e) dạng hình vảy, (f) dạng hình kim (Vũ Thị Diệu, 2009) HA tồn tại ở dạng cấu trúc là dạng đơn tà (monoclinic) và dạng lục phương (hexagonal). HA dạng đơn tà chủ yếu được sinh ra khi nung dạng lục phương ở 850 C trong không khí sau đó làm nguội đến nhiệt độ phòng. Còn dạng lục phương thường được tạo thành trong quá trình điều chế ở nhiệt độ từ 25 C đến 100 C. Giản đồ nhiễu
  • 16. Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 2 xạ tia X của hai dạng này giống nhau hoàn toàn về số lượng và vị trí của các vạch nhiễu xạ. Chúng chỉ khác nhau về cường độ của pic, dạng đơn tà cho các pic có cường độ yếu hơn các pic của dạng lục phương khoảng 1% (Vũ Thị Diệu, 2009) Cấu trúc ô mạng cơ sở tinh thể HA gồm các ion Ca2+, PO4 3- và OH- được sắp xếp theo dạng hình lục phương (Narasaraju T.S.B, 1996) là dạng cấu trúc thường gặp của HA tổng hợp, trong thành phần của xương và ngà răng hoặc dạng đơn tà (Tsuda, et al., 1994) là dạng cấu trúc thường được tìm thấy trong men răng. Hình 1-2 Cấu trúc ô mạng cơ sở của tinh thể HA, (a) dạng lục phương, (b) dạng đơn tà 1.1.2 Tính chất hóa học Công thức cấu tạo của phân tử HA được thể hiện hình (1-3). Phân tử HA có cấu trúc mạch thẳng, các liên kết Ca – O là liên kết cộng hóa trị. Hai nhóm OH- được gắn với nguyên tử P ở hai đầu mạch (Nguyễn Văn Hường, 2011, Ylinen, 2006). Hình 1-3 Công thức cấu tạo của phân tử HA HA không phản ứng với kiềm nhưng phản ứng với axit tạo thành các muối canxi và nước: Ca10(PO4)6(OH)2 + 2HCl → 3Ca3(PO4)2 + CaCl2 + 2H2O HA tương đối bền nhiệt, bị phân hủy chậm trong khoảng nhiệt độ từ 800 C đến 1200 C tạo thành oxy – hydroxyapatite: (a) (b) HA, Ca10(PO4)6(OH)2
  • 17. Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 3 Ca10(PO4)6(OH)2 → Ca10(PO4)6(OH)2-2xOx + xH2O (0 ≤ x ≤ 1) Nhiệt độ lớn hơn 1200 C, HA bị phân hủy thành β-Ca3(PO4)2 (β-TCP), Ca4P2O9 hoặc CaO: Ca10(PO4)6(OH)2 → 2β–Ca3(PO4)2 + Ca4P2O9 + H2O Ca10(PO4)6(OH)2 → 3β–Ca3(PO4)2 + CaO + H2O 1.1.3 Tính chất sinh học Xương đóng vai trò quan trọng với nhiệm vụ sản xuất các tế bào máu, nâng đỡ và bảo vệ cơ thể. Cấu tạo của xương gồm: nước, dịch sinh học, các mô sợi có bản chất của các chất hữu cơ (collagien) và hợp chất vô cơ, chủ yếu là hydroxyapatite. Xương tồn tại ở nhiều dạng khác nhau: dạng gốm đặc khít ở bề mặt xương và răng (HA chiếm đến 90 – 98% khối lượng), dạng gốm xốp ở xương ống (HA chiếm 60 – 70%) và dạng xương non (Vũ Duy Hiển). Ngoài khoáng HA trong xương còn tồn tại các pha khoáng khác như calcium pyrophosphate (Ca2P2O7), dicalcium phosphate (CaHPO4), tricalcium phosphate (Ca3(PO4)2) và một số pha vô địch hình của calcium phosphate. Trong đó, hydroxyapatite và dicalcium phosphate tương đối ổn định về mặt hóa học ở nhiệt độ và pH của dung dịch sinh lý trong cơ thể người (37 C và pH 7,4). Khi phân tích dung dịch sinh lý (huyết tương hoặc dịch ngoại bào) lấy từ các mạch máu của mô xương, các ion Ca2+, PO4 3- và CO3 2- chiếm số lượng lớn và các ion Mg2+, Fe2+, F-, Cl- chiếm số lượng ít hơn. Các ion Ca2+ và PO4 3- thúc đẩy sự hình thành của các muối, chủ yếu là hydroxyapatite và tricalcium phosphate, được phân tán trong các pha hữu cơ của xương. Tỉ lệ của hai thành phần hữu cơ và vô cơ phản ánh mối quan hệ giữa độ cứng và độ đàn hồi của xương (Vũ Thị Diệu, 2009). HA tự nhiên và nhân tạo điều là những vật liệu có tính tương thích sinh học cao do nó có cùng bản chất và thành phần hóa học. Ở dạng màng và dạng xốp, HA có thành phần hóa học và các đặc tính giống xương tự nhiên (Shi, 2006), các lỗ xốp liên thông với nhau làm cho các mô sợi, mạch máu dễ dàng xâm nhập. Ở dạng bột mịn kích thước nano, HA là dạng canxi photphate dễ được cơ thể hấp thụ nhất với tỷ lệ Ca/P trong phân tử đúng như tỷ lệ trong xương và răng. Chính vì vậy mà vật liệu này có tính tương thích sinh học cao với các tế bào và mô, có tính dẫn xương tốt, tạo liên kết trực tiếp với xương non dẫn đến sự tái sinh xương nhanh mà không bị cơ thể đào
  • 18. Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 4 thải. Ngoài ra, HA là hợp chất không gây độc, không gây dị ứng cho cơ thể người và có tính sát khuẩn cao (Wikipedia, 2014). Hợp chất HA tương đối bền với dịch men tiêu hóa, ít chịu ảnh hưởng của dung dịch axit trong dạ dày. Ở dạng bột mịn kích thước nano, HA được cơ thể người hấp thụ rất nhanh qua niêm mạc lưỡi và thực quả. Vì những đặc tính này bột HA kích thước nano được dùng làm thuốc bổ sung canxi với hiệu quả cao (Nguyễn Văn Hường, 2011) . 1.2 Ứng dụng của bột HA HA có tính tương thích sinh học tốt với cơ thể người, có thể tạo liên kết trực tiếp với xương mà không cần có mô cơ trung gian và có khả năng tạo sự tái sinh xương nhanh. Do đó, HA được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực y học: 1.2.1 Ứng dụng của HA dạng bột Ở cơ thể người, đặc biệt cho trẻ em và người cao tuổi thì lượng canxi hấp thụ thực tế từ thức ăn mỗi ngày tương đối thấp nên cần bổ sung canxi cho cơ thể. Trong thức ăn hoặc thuốc, Canxium thường nằm ở dạng hợp chất hòa tan nên khả năng hấp thụ của cơ thể không cao và thường phải dùng kết hợp với vitamin D nhằm tăng cường việc hấp thụ và chuyển hóa canxium thành HA. Có thể bổ sung canxium cho cơ thể người bằng cách dùng thức ăn, thuốc tiêm hoặc truyền huyết thanh,…Một phương pháp hữu hiệu là sử dụng HA ở dạng bột mịn, kích thước nano để bổ sung canxium. Với kích cỡ 20 – 100 nm, HA được hấp thụ trực tiếp vào cơ thể mà không cần chuyển hóa thêm. Ngoài ra HA ở dạng bột mịn còn được dùng làm chất chám vết rạn nứt trên bề mặt của xương (Vũ Thị Diệu, 2009, Zakharov, et al., 2004). Sau đây là hình ảnh của một số loại thực phẩm chức năng và thuốc bổ sung canxium sử dụng nguyên liệu HA bột dạng vi tinh thể đang được lưu hành trên thị trường.
  • 19. Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 5 Hình 1-4 Thuốc bổ sung canxi sử dụng nguyên liệu HA dạng vi tinh thể 1.2.2 Ứng dụng của HA dạng khối xốp Như đã trình bày ở phần tính chất sinh học, HA dạng xốp có các lỗ xốp bên trong liên thông với nhau, tạo thuận lợi cho sự xâm nhập của mô sợi và mạch máu, có tính dung nạp tốt, không độc, không dị ứng. Vì vậy, HA dạng xốp được sử dụng rộng rãi trong y học như:  Chế tạo răng giả và sửa chữa khuyết tật của răng (Kasioptas, et al., 2008)  Chế tạo mắt giả (Kundu, et al., 2004)  Chế tạo chi tiết ghép xương và sữ chữa khuyết tật của xương (Ylinen, 2006)  Làm điện cực sinh học cho thử nghiệm sinh học  Làm vật liệu truyền dẫn và nhả chậm thuốc (Shinto, et al., 1992).  Vận chuyển và phán tán insulin trong ruột (Paul, et al., 2001). 1.2.3 Ứng dụng của HA dạng composit Gốm xốp và màng HA có độ bền cơ học thấp. Một giải pháp để tăng độ bền cơ học là tạo ra một tổ hợp gốm composite giữa HA và polymer. Bột HA sẽ được phân tán vào các polymer sinh học như: chitosan, gelatine hoặc các polymer tổng hợp như poly (lactide-co-galactide) hoặc polycarpolactone,...vật liệu dạng này sử dụng làm các chi tiết cấy ghép xương chất lượng cao, làm kẹp nối xương hoặc làm chất dẫn truyền thuốc. Việc sử dụng các polymer sinh học làm chất nền tạo điều kiện cho việc gia công, chế tạo chi tiếc dễ hơn. Mặc khác, các polymer này còn có khả năng liên kết với các tế bào sinh học thông qua các nhóm chức của mình. Đây cũng là ưu điểm vượt trội của vật liệu composite HA (Vũ Thị Diệu, 2009).
  • 20. Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 6 1.2.4 Ứng dụng của HA trong hấp phụ các ion kim loại nặng Nhiều nghiên cứu đã phát hiện tính hiệu quả khi sử dụng HA trong việc loại bỏ ion kim loại nặng. Khả năng hấp phụ những ion kim loại như Pb2+ và Cu2+ trên vật liệu nano HA cũng đã được phát hiện. Khả năng hấp phụ đã được dự đoán bằng phương trình đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich, kết quả cho thấy rằng chất hấp phụ kim loại trên vật liệu nano – HA đạt giá trị cực đại với Pb2+ > Cu2+ (Chen, et al., 2010). Cũng có các nghiên cứu về khả năng hấp phụ ion Pb2+ bằng vật liệu hấp phụ HA/Fe3O4, khi sử dụng vật liệu hấp phụ riêng cho từng loại HA và Fe3O4 thì hiệu quả hấp phụ kém hơn so với khi kết hợp hai loại vật liệu này với nhau. Hiệu quả hấp phụ các ion Pb2+ của vật liệu HA/Fe3O4 đạt giá trị cao nhất, với kỹ thuật hòa tan và kết tủa trên bề mặt phức, đây là thuộc tính của vật liệu nhiều chức năng, hai thành phần HA và Fe3O4 có thể kết hợp với nhau và đạt được hiệu quả trong việc loại bỏ ion Pb2+ từ dung dịch (Dong, et al., 2010). 1.2.5 Ứng dụng của HA dạng ceramic Gốm tổ hợp HA và – TCP là vật liệu y sinh chính cho các phẫu thuật ghép xương, chỉnh hình hoặc chỉnh sửa xương. Gốm xốp HA có hoạt độ và tính tương thích sinh học tốt nhất bao gồm khoảng 93 – 94% pha HA và 6 – 7% pha – TCP (Đỗ Ngọc Liên, 2005). 1.3 Các phýõng pháp tổng hợp vật liệu HA Việc nghiên cứu chế tạo các chế phẩm từ vật liệu HA ở các dạng khác nhau đã được tiến hành từ lâu trên thế giới và đã đạt được những thành tựu đáng kể. Các nghiên cứu tập trung vào tổng hợp HA ở dạng bột mịn và siêu mịn, dạng khối xốp, dạng màng bằng các phương pháp khác nhau. Vật liệu hữu dụng này đã được ứng dụng hiệu quả trong các lĩnh vực: xét nghiệm, điều trị y học, dược phẩm, vật liệu sinh học và xử lý môi trường. HA ở các dạng khác nhau có thể được tổng hợp bằng nhiều phương pháp từ các nguyên liệu khác nhau. Trong luận văn này tôi sẽ trình bày một số phương pháp chế tạo HA đơn giản và đang được sử dụng phổ biến hiện nay (Vũ Thị Diệu, 2009): 1.3.1 Phýõng pháp sol – gel Phương pháp sol – gel được R.Roy đưa ra năm 1956, phương pháp này cho phép các chất trộn lẫn với nhau ở quy mô phân tử.
  • 21. Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 7 Xét một hệ bao gồm một môi trường liên tục và các tiểu phân (các hạt) có kích thước nhỏ được phân tán đồng đều trong môi trường đó. Tập hợp các tiểu phân nhỏ bé đó được gọi là pha phân tán, môi trường chứa đựng pha phân tán gọi là môi trường phân tán. Khi môi trường phân tán là lỏng và pha phân tán là rắn, thì tuỳ kích thước hạt sẽ tạo ra hệ huyền phù hoặc hệ keo (sol) (Nguyễn Đình Huề, 2000). Gel là hệ phân tán dị thể, trong đó các hạt của pha rắn liên kết với nhau tạo thành một khung 3 chiều, pha lỏng nằm trong các hốc trống của khung ba chiều. Quá trình tạo gel được mô tả như sau: Hệ sol, dung dịch cao phân tử ↔ gel, nghĩa là các hệ sol, dung dịch cao phân tử có thể chuyển thành gel hoặc ngược lại tuỳ thuộc điều kiện. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tạo gel là: kích thước, hình dạng của hạt keo và chất cao phân tử; nồng độ pha phân tán và chất cao phân tử; nồng độ chất điện ly, nhiệt độ, cường độ, thời gian khuấy (Nguyễn Đình Huề, 2000). Bằng cách tách dung môi có thể chuyển sol thành gel. Khi dung môi bị tách ra, các hạt keo hoặc phân tử lại gần nhau hơn, tạo điều kiện thuận lợi cho chúng nối chéo với nhau. Khi sự nối chéo này đủ lớn, độ nhớt của dung dịch tăng nhanh và toàn bộ khối dung dịch sẽ chuyển thành gel. Cũng có thể dùng cách khuấy mạnh dung dịch để tạo gel. Cường độ và thời gian khuấy đủ lớn sẽ làm tăng tần số va chạm giữa các hạt keo và tạo điều kiện cho chúng nối chéo với nhau. Trong thực tế, thường kết hợp cả hai cách trên để chuyển sol thành gel (Nguyễn Đình Huề, 2000). Bằng phương pháp sol – gel có thể tạo được bột có kích thước từ cấp m đến nm, có tính đồng nhất, độ tinh khiết hóa học cao, bề mặt riêng lớn, có thể tổng được các sản phẩm ở dạng màng mỏng, sợi,…(Vijayalakshmi, et al., 2006). Sơ đồ nguyên lý của phương pháp sol – gel được thể hiện qua hình sau: Hình 1-5 Sơ đồ nguyên lý của phương pháp Sol – Gel Có thể tổng hợp HA theo phương pháp sol – gel bằng cách: hoà tan các hợp chất Ca(NO3)2, (NH4)2HPO4 với các chất tạo gel như (C2H5O)3P(O), CH3O(CH2)2(OH) (được chuẩn bị theo tỷ lệ nhất định) vào nước cất. Khuấy và gia nhiệt dung dịch này to SOL Khuấy Sấy Nungto SOL Khuấy SolDung dịch Gel Sản phẩm Arogel Xerogel
  • 22. Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 8 đến nhiệt độ 60 – 70 C, sau khoảng 3 – 4 giờ, gel có chứa hợp chất HA sẽ được tạo thành. Sau đó, sấy gel ở nhiệt độ khoảng 120 C trong vòng 24 giờ và nung ở nhiệt độ 750 – 900 C khoảng 1 giờ. HA bột nhận được với kích thước trung bình 20 nm, độ tinh thể khoảng 97% (Vũ Thị Diệu, 2009). Một quá trình tổng hợp HA khác bằng phương pháp sol – gel được tiến hành với 2 tác chất ban đầu là Ca(NO3)2.4H2O và (NH4)2HPO4 và có bổ sung thêm EDTA là tác nhân tạo phức để ngăn cản quá trình kết tủa của Ca2+ trong quá trình tạo gel và urea là chất keo hóa và tác nhân cho amoniac (Sopyan, et al., 2008). Quy trình được trình bày như sau: Hình 1-6 Quá trình tổng hợp HA bằng phương pháp sol – gel từ Ca(NO3)2.4H2O và (NH4)2HPO4 Dung dịch NH3 được đun nóng và 90,5g EDTA được thêm vào trong dung dịch khuấy cho đến khi EDTA hòa tan hoàn toàn. Thêm vào hỗn hợp trên 200 ml dung dịch lỏng chứa 64,5g Ca(NO3)2.4H2O và 19,9g (NH4)2HPO4 cùng với 22,6g urea. Đun nóng hỗn hợp ở 100 C từ 3 – 4 giờ. Gel thu được được sấy khô ở 350 C trong không khí sau đó được nung ở 900 C với dòng khí thổi vào. Tỷ lệ Ca/P được quan sát là 1,8. Để khắc phục độ lệch so với tỷ lệ đương lượng (1,67), bột được trộn với một lượng thích hợp (NH4)2HPO4, sau đó tạo huyền phù trong nước và đun nóng ở 90 C khuấy mạnh NH4OH EDTA Urea Ca(NO3)2.4H2O (NH4)2HPO4 Đun 100 C Gel trắng Sấy 350 C (NH4)2HPO4 Nung 820 C Gel đen HA, TCP, CaO HA
  • 23. Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 9 trong 4 giờ. Quá trình này đưa tỷ lệ Ca/P đến 1,67. Sau khi sấy 15 giờ thu được HA tinh khiết. Quá trình tổng hợp HA được biểu diễn như sau: 5Ca(NO3)2 + (NH4)2HPO4 + NH4OH Ca5(PO4)3OH + 10NH4NO3 + 3H2O Quy trình tổng hợp HA nano dạng bột (20 – 60 nm) bằng phương pháp sol – gel từ H3PO4 và Ca(NO3)2.4H2O (Sanosh, et al., 2009): H3PO4 0,25 M pha loãng 2 lần bằng nước cất. Dung dịch amoniac được thêm vào và khuấy cho đến khi pH=10. Ca(NO3)2.4H2O 1M được chuẩn bị bằng cách hòa tan vào lượng nước gấp đôi. Dung dịch Ca(NO3)2.4H2O được thêm từ từ vào dung dịch H3PO4 bên trên, duy trì tỷ lệ Ca/P là 1,67. Dung dịch được giữ không đổi ở pH=10 bằng cách thêm vào một lượng nhỏ NH3. Khuấy mạnh dung dịch trong vòng 1 giờ và già hóa 24 giờ ở nhiệt độ phòng. Dạng keo thu được sau quá trình già hóa được sấy khô ở 65 C trong 24 giờ. Dạng bột từ keo sấy khô được rửa liên tục dung lượng nước cất 2 lần để loại các ion NH 4+ và ion NO3-. Sau quá trình rửa, bột được nung trong không khí ở khoảng nhiệt độ dao động từ 200 C – 800 C trong 30 phút và tốc độ gia nhiệt 10 C/phút. Sản phẩm phụ NH4NO3 ở phản ứng (**) được loại bỏ bằng cách rửa liên tục 2 lần với nước cất. Các phản ứng tạo thành HA trong quy trình như sau: H3PO4 + NH4OH (NH4)3PO4 + 3H2O (*) 6(NH4)3PO4 + 10Ca(NO3)2.4H2O Ca10(PO4)6(OH)2 + 20NH4NO3(**) H3PO4 0,25 M Thêm NH3 đến pH = 10 Ca(NO3)2.4H2O 1 M hòa tan trong nước Khuấy 1h Già hóa 24h (nhiệt độ phòng) Tạo gel Sấy 65 C – 24h Nung 200 – 800 C (30 phút)
  • 24. Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 10 Hình 1-7 Quá trình tổng hợp HA bằng phương pháp Sol – Gel từ H3PO4 và Ca(NO3)2.4H2O Ngoài ra còn rất nhiều các tác chất khác nhau cung cấp Ca và P được sử dụng để tổng hợp HA bằng phương pháp sol – gel: tinh thể nano HA được tổng hợp từ (CH3COO)2Ca và Triethyl phosphate (TEP) trong môi trường ethanol (Predoi, et al., 2009), tổng hợp HA dạng bột ceramic từ Ca(NO3)2.4H2O 1,67M và P2O5 0,5M với dung môi là ethnol tinh khiết (Vijayalakshmi and Rajeswari, 2006). 1.3.2 Phương pháp điện hóa Để tăng độ cứng, độ bền cơ – hóa và tính tương thích sinh học của chi tiết cấy ghép, người ta chế tạo lớp màng gốm HA có độ dày mong muốn và có khả năng bám dính tốt trên bề mặt kim loại. Các phương pháp vật lý như plasma, bay bốc, hồ quang…đều tạo ra một lớp màng có nhiều dày cỡ m. Độ bám dính của lớp này vào vật liệu nền không cao. Để khác phục hạn chế này, người ta đã chế tạo và phủ được lớp màng HA có chiều dày cỡ nanomet (màng n – HA) trên các vật liệu nền khác nhau bằng (Vũ Thị Diệu, 2009): 1.3.2.1 Phương pháp kết tủa catot Các vật liệu sinh học bằng kim loại hoặc hợp kim làm điện cực catot, điện cực này được nhúng vào bể điện phân với chất điện giải là dung dịch bão hòa các ion Ca2+ và PO4 3- ở pH = 6, mật độ dòng catot đạt 10 mA/cm2, nhiệt độ điện phân được duy trì ở 60 C. Lớp màng HA được tạo ra trên vật liệu nền có chiều dày khoảng 100 nm trong vòng 10 phút, chiều dày của lớp màng HA tăng theo thời gian catot hóa. 1.3.2.2 Phýõng pháp anot hóa Các vật liệu sinh học bằng kim loại hoặc hợp kim được sử dụng làn điện cực anot. Catot được làm bằng kim loại trơ, chẳng hạn như bạch kim. Hệ điện cực được đưa vào dung dịch điện giải chứa các ion Ca2+ và PO4 3- theo tỷ lệ Ca/P = 1,67. Dưới tác dụng của điện áp một chiều từ 250 – 350 V, trên anot sẽ xảy ra hiện tượng phóng tia lửa điện tại các điểm dẫn điện tốt. Tại nơi này nhiệt độ có thể lên đến 103 – 104 độ Kenvin làm cho kim loại bị oxi hóa, các oxide tạo thành bị nóng chảy tạo thành một lớp oxide với chiều dày khoảng 1 - 2 m có độ xốp cao. Lớp oxit này có điện trở lớn
  • 25. Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 11 khi nguội và đóng rắn, làm cho hiện tượng phóng tia lửa điện chuyển sang điểm có điện trở nhỏ. Thời gian anot hóa diễn ra trong khoảng 30 phút tạo ra một khối oxide có độ xốp cao. Tại các mao quản của khối xốp này sẽ xảy ra hiện tượng hấp thụ các ion Ca2+ và PO4 3-. Quá trình hình thành các tinh thể HA phụ thuộc vào số lương các mầm tinh thể trong khi phóng điện và sự khuếch tán của các ion Ca2+ và PO4 3- đến bề mặt lớp oxide (Shirkhanzadeh, 1991). 1.3.2.3 Phýõng pháp ðiện di Dựa trên hiện tượng chuyển dịch tương đối của pha phân tán dưới tác dụng của điện trường ngoài. Pha phân tán là các hạt HA kích thước nanomet, môi trường phân tán có thể là nước hoặc môi trường mô phỏng dịch thể người SBF. Dưới tác dụng của điện trường phù hợp, các hạt huyền phù HA tích điện âm và di chuyển về phía anot (gắn vật liệu nền) tạo ra một lớp màng mỏng n – HA trên bề mặt chi tiết với độ bám dính cao (Eliaz, et al., 2005). Hình 1-8 Sơ đồ nguyên lý của phương pháp điện di 1.3.3 Phương pháp thủy nhiệt Phương pháp thủy nhiệt là quá trình sử dụng các phản ứng ở pha đồng thể hoặc dị thể trong môi trường lỏng ở nhiệt độ (T > 25 C) và áp suất (P >100 kPa) để kết tinh trực tiếp vật liệu ceramic từ dung dịch (Suchanek, et al., 2006). Phương pháp thủy nhiệt tổng hợp các vật liệu được đánh giá là một công nghệ quan trọng tạo ra các vật liệu khác nhau trong đó có việc tổng hợp HA.Trong phương pháp này, tỷ lệ Ca/P được
  • 26. Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 12 cải thiện khi tăng nhiệt độ và áp suất thủy nhiệt (Nayak, 2010). Một số nghiên cứu tổng hợp HA bằng phương pháp thủy nhiệt đã được đưa ra. Quá trình tổng hợp tinh thể HA nano dạng que được mô tả trong thiết bị chảy thủy nhiệt (dùng nước ở 400 C và áp suất 24 MPa). Ảnh hưởng của chất hoạt động bề mặt đến sự tạo thành HA dạng que nano dưới điều kiện thủy nhiệt cũng đã được nghiên cứu. Với các tác chất ban đầu là Ca(NO3)2.4H2O, (NH4)2HPO4 cùng với Cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) và Polyethylene glycol (PEG400) là các chất hoạt động bề mặt. Kết quả cho thấy HA nano dạng que với hình thái đồng nhất và kích thước điều khiển được đã được tổng hợp thành công dùng các chất hoạt động bề mặt là CTAB và PEG dưới những điều kiện thủy nhiệt khác nhau (90 C, 120 C và 150 C). Sản phẩm thu được tinh khiết không lẫn CH (carbonated hydroxyapatite). Thêm vào đó, hỗn hợp CTAB và PEG đóng vai trò điều chỉnh sự phát triển của mầm và tinh thể HA. Phương pháp thủy nhiệt còn được dùng để điều chế HA xốp (Rocha, et al., 2005). Nguyên liệu ban đầu là CaCO3 có trong xương động vật, san hô và dung dịch dịch (NH4)2HPO4. Phản ứng thủy nhiệt diễn ra theo phương trình: 10CaCO3 + 6(NH4)2HPO4+ 2H2O → Ca10(PO4)6(OH)2 + 6(NH4)2CO3 + 4H2CO3 Hoặc có thể chế tạo HA xốp từ xương tự nhiên bằng phản ứng thủy nhiệt thông qua sản phẩm trung gian CaO. Đầu tiên, chuyển hóa CaCO3 trong xương thành CaO. Sau đó phản ứng thủy nhiệt theo phương trình (Hu, et al., 2001): 10CaO + 6(NH4)2HPO4 + 4H2O → Ca10(PO4)6(OH)2 + 12NH4OH Quá trình thủy phân của muối CaHPO4 cũng tạo ra sản phẩm HA trong bom thủy nhiệt được bọc lót bằng platinum hoặc teflon ở nhiệt độ 250 – 300 C, trong thời gian 5 – 10 ngày. Nhiệt độ và áp suất cao tạo điều kiện cho các tinh thể HA hình thành và phát triển. Pha rắn HA có độ kết tinh cao, sản phẩm thu được là đơn pha, nhưng thiết bị và điều kiện phản ứng phức tạp, khó thực hiện (Đỗ Ngọc Liên, 2005): 10CaHPO4 + 2H2O Ca10(PO4)6(OH)2 + 4H+ + 4H2PO4 - 14CaHPO4 + 2H2O Ca10(PO4)6(OH)2 + 4Ca+ + 8H2PO4 - Phương pháp thủy nhiệt có thể tổng hợp được nhiều dạng ceramics như dạng bột, sợi, tinh thể đơn, các khối ceramics nguyên khối và các chất phủ trên kim loại, polymer. Quá trình tạo thành sản phẩm bột ceramic, thời gian và lượng nhiệt tiêu tốn
  • 27. Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 13 sẽ ít hơn do các bước nung ở nhiệt độ cao, trộn và nghiền không cần thiết hoặc được giảm thiểu. Quá trình thủy nhiệt có thể diễn ra ở phạm vi rộng khi kết hợp nước và hệ thống hỗn hợp dung môi. Nhìn chung, quá trình với thể lỏng cho phép sự tự động khi thay đổi ở phạm vi rộng các đơn vị vận hành như sự nạp liệu, vận chuyển, trộn lẫn và phân chia sản phẩm. So với quá trình trạng thái rắn, dạng lỏng có khả năng tăng nhanh sự khuếch tán, hấp thụ, tốc độ phản ứng và sự kết tinh, đặc biệt dưới điều kiện thủy nhiệt. Chi phí tương ứng cho các thiết bị, năng lượng và các tiền chất là ít hơn trong phương pháp thủy nhiệt. Phương pháp thủy nhiệt tốt cho môi trường hơn các phương pháp tổng hợp khác, đóng góp một phần trong việc lưu trữ năng lượng do nhiệt độ quá trình thấp, không dùng biện pháp nghiền, khả năng tái chế chất thải, sự thải an toàn và thuận tiện các chất thải không được tái chế. Nhiệt độ thấp tránh được các sự cố dễ xảy ra với quá trình ở nhiệt độ cao, ví dụ như điều chỉnh tỷ lượng kém bởi sự bay hơi của các cấu tử (Suchanek and Riman, 2006). 1.3.3 Phương pháp kết tủa Phương pháp kết tủa thường được sử dụng để điều chế HA dạng bột bởi nó đơn giản và hiệu quả kinh tế. Trong suốt phản ứng, môi trường phản ứng chỉ có nước là sản phẩm phụ duy nhất. Do đó, phương pháp kết tủa đóng vai trò quan trọng trong các phương pháp tổng hợp HA dựa trên sự điều khiển chính xác kích thước hạt, hình thái và thành phần hóa học. Phương pháp này đòi hỏi xác định và điều khiển các thông số như pH và nhiệt độ dung dịch, bản chất và thành phần của vật liệu ban đầu, nồng độ tác chất và tốc độ thêm vào, kỹ thuật và tốc độ khuấy trộn, sự có mặt của các tạp chất để thu được HA đơn pha (Yoruc, et al., 2009). Nguyên lý phương pháp kết tủa được trình bày theo hình 1-9:
  • 28. Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 14 Hình 1-9 Sơ đồ nguyên lý của phương pháp kết tủa HA được tổng hợp bằng cách kết tủa từ các ion Ca2+ và PO4 3- có thể thực hiện theo nhiều cách khác nhau, có thể phân thành hai nhóm chính:  Phương pháp kết tủa từ các muối chứa ion Ca2+ và PO4 3- dễ tan trong nước: Các muối thường dùng là Ca(NO3)2, (NH4)2HPO4, NH4H2PO4,…(Ishikawa, et al., 1993).  Phương pháp kết tủa từ các hợp chất chứa Ca2+ ít tan hoặc không tan trong nước như: Ca(OH)2, CaO, CaCO3,…với axit H3PO4 trong môi trường kiềm (Santos, et al., 2004). Phương pháp kết tủa HA thường được sử dụng trong điều chế thương mại dựa trên hai phương pháp cơ bản đưa ra bởi Rathje, Hayek và Newesely.  Phương pháp đầu tiên được thực hiện bằng cách thêm H3PO4 vào huyền phù Ca(OH)2. Để thu được HA dạng nhão, H3PO4 được thêm từng giọt vào dung dịch kiềm Ca(OH)2, khuấy trộn trong 4 giờ. Trong suốt quá trình, pH được giữ từ 9,5 – 10, bằng cách thêm vào dung dịch NH4OH, tạo được HA có tỷ lệ Ca/P = 1,67. Sau khi khuấy xong, hỗn hợp phản ứng được làm già hóa 48 h. Sau đó lọc chân không, rửa với nước Dung dịch Ca2+ Dung dịch PO4 3- Khuấy và gia nhiệt Dung dich điều chỉnh pH Kết tủa Già tủa Ly tâm, lọc Sấy Nung Sản phẩm
  • 29. Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 15 cất hoặc ethanol. Mẫu lọc được sấy ở 130 oC trong 24 giờ và nghiền thành bột. Sau đó, HA dạng bột được nung trong 2 giờ. Cuối cùng, bột được nghiền bi trong 1 giờ Hình 1-10 Tổng hợp HA bằng phương pháp kết tủa từ Ca(OH)2 và H3PO4 Phương trình phản ứng của quá trình như sau: 10Ca(OH)2 + 6H3PO4 Ca10(PO4)6(OH)2 + 18H2O  Phương pháp thứ hai HA được tổng hợp từ Ca(NO3)2.4H2O và (NH4)2HPO4 trong NH4OH (Monmaturapoj, 2008). Đầu tiên hai chất Ca(NO3)2.4H2O và (NH4)2HPO4 được hòa tan trong nước khử ion. Độ pH của mỗi dung dịch lỏng được điều chỉnh đến 11 bằng dung dịch NH4OH 25%. Thêm từ từ dung dịch Ca(NO3)2 vào dung dịch (NH4)2HPO4 đã được khuấy mạnh ở nhiệt độ phòng trong 1 giờ tạo nên kết tủa đục. Sau đó phần kết tủa này tiếp tục được khuấy trong 1 giờ. Quá trình hồi lưu được thực hiện ở 100 C trong 1 giờ, tiếp theo đó là sự già hóa tủa trong 24 giờ. Hỗn hợp sau đó được rửa và lọc trong kính. Sau quá trình lọc phần đặc, mẫu lọc được sấy khô ở 80 C qua đêm. Dạng bột khô được nghiền và nung trong chén nung alumina ở 800 C, 1000 C và 1200 C với thời gian là 1 giờ, 2 giờ và 4 giờ. Dung dịch huyền phù Ca2+ Dung dịch PO4 3-NH4OH Khuấy 9,5 pH 10, T = 750C, t = 4h Già hóa (T = 25 0C, t = 48 h) Lọc và rửa (nước hoặc ethanol) Sấy khô (T = 130 oC, t = 24 h) Xử lí nhiệt 200 oC < T < 1200 oC, t = 2 h Hydroxyapatite tinh thể + vô định hình Hydroxyapatite tinh thể
  • 30. Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 16 Hình 1-11 Điều chế HA dạng bột từ Ca(NO3)24H2O và (NH4)2HPO4 HA dạng bột được tổng hợp theo quy trình khác bằng phương pháp kết tủa từ Ca(NO3)2.4H2O và (NH4)2HPO4 (Eslami, et al., 2010) như sau: Dung dịch (NH4)2HPO4 0,09 M và dung dịch Ca(NO3)2.4H2O 0,15 M được chuẩn bị và điều chỉnh sao hai dung dịch có giá trị pH = 11 bằng cách thêm vào 1M dung dịch NaOH. Dung dịch HPO4 2- được thêm vào từng giọt vào dung dịch chứa ion Ca2+. Thu được kết tủa của HA theo hai phương trình sau: 10Ca2+ 6HPO4 2- Ca10(PO4)6(OH)2 + 12H+ 10Ca2+ 6HPO4 2- Ca10(PO4)6(OH)2 + 6H+ Kết tủa được làm già hóa trong vòng 22 giờ, ở nhiệt độ phòng. Sau đó, HA kết tủa được ly tâm và sau đó rửa với nước khử ion hóa. Quá trình ly tâm và rửa được thực hiện ba lần. Dạng bột thành phẩm được sấy trong hệ thống sấy lạnh trong 10 giờ. Cuối Ca(NO3)2.4H2O (NH4)2HPO4 Ca2+ HPO4 2- Khuấy dung dịch (1h) Kết tủa HA không kết tinh Bột HA Nung Già tủa 24h, lọc và rửa Hòa tan trong nước khử ion
  • 31. Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 17 cùng, bột sấy được nung trong lò nung ở 900 °C trong 1 giờ với tốc độ 5 °C/phút trong không khí. Hình 1-12 Sơ đồ tổng hợp HA dạng bột 1.3.4 Phương pháp phản ứng pha rắn: HA được tổng hợp trên cơ cở thực hiện các phản ứng pha rắn. Nguyên liệu ban đầu có thề là: Ca3(PO4)2 và Ca4P2O9, Ca3(PO4)2 và CaO,… được trộn đều theo tỷ lệ Ca/P = 1,76, sau đó cho tiến hành phản ứng ở nhiệt độ khoảng 1000 °C trong hệ kín. Phản ứng tạo HA như sau (Murugan, et al., 2007): 2Ca3(PO4)2 + Ca4P2O9 + H2O Ca10(PO4)6(OH)2 3Ca3(PO4)2 + CaO + H2O Ca10(PO4)6(OH)2 HA dạng bột và khối xốp cũng có thể được chế tạo bằng phản ứng pha rắn. Hỗn hợp nguyên liệu rắn ban đầu được ép nén để tạo ra các chi tiết có hình dạng và độ xốp mong muốn. Sau phản ứng, sản phẩm vẫn giữ nguyên hình dạng và cấu trúc ban đầu. Dung dịch Ca(NO3)2.4H2O Dung dịch (NH4)2HPO4 Điều chỉnh pH Điều chỉnh pH Thêm từng giọt dung dịch HPO4 2- vào dung dịch Ca2+ Dung dịch NaOH Già tủa Rửa với nước khử ion Sấy thăng hoa Ly tâm 3 lần
  • 32. Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 18 Nhờ ưu điểm trên mà phương pháp phản ứng pha rắn này thích hợp cho việc chế tạo gốm y sinh với các chi tiết phức tạp. HA cũng được tổng hợp từ nguồn cung cấp CaCO3 vỏ trứng và san hô. Vỏ trứng thô sau khi rửa sạch được nung ở nhiệt độ 900 °C. Quá trình xử lý nhiệt gồm hai phần: 30 phút đầu tiên là sự đốt cháy các hợp chất hữu cơ, trong khi phần thứ hai là sự chuyển hóa vỏ trứng thành CaO (thời gian chờ là 3 giờ). Để tổng hợp dạng bột Ca3(PO4)2, vỏ được đánh vụn và nghiền trong hệ thống nghiền bi. Vỏ trứng đã nghiền cho phản ứng với H3PO4 (phản ứng tỏa nhiệt). Hỗn hợp được nghiền trong 5 giờ, tốc độ quay 4000 vòng/phút (nghiền đĩa) hoặc trong 10 giờ với tốc độ quay 350 vòng/phút (nghiền bi), tạo nên hỗn hợp đồng nhất và ngăn chặn sự kết tụ của quá trình nung. Các dạng bột của HA dễ bị biến tính ở nhiệt độ cao, dễ xuất hiện pha rắn CaO. Sau quá trình nghiền, một lượng nhỏ ( khoảng 0,5g) mỗi loại bột HA được xử lý nhiệt ở 900 °C trong 2 giờ ngoài không khí. Quá trình nghiền bi thu được các hạt kích thước micro (kích thước hạt lớn do bị đông tụ) với bề mặt hạt nhẵn, trong khi các mẫu nghiền đĩa thu được hạt có kích thước nano. Tính chất hình thái hạt được giữ nguyên ngay cả khi nung ở nhiệt độ cao (900 °C). Quá trình nghiền đĩa thu được hạt có kích thước nano HA đồng nhất ngay cả sau khi nghiền (Gergely, et al., 2010) Phương pháp này có nhược điểm là phải thực hiện phản ứng ở nhiệt độ cao trong thời gian dài. Bột thu được bằng phương pháp phản ứng pha rắn thường có kíchthước lớn do sự đông tụ của các hạt trong suốt phản ứng ở nhiệt độ cao. Sự kém đồng nhất của sản phẩm là một vấn đề trong phương pháp này, bởi vì các nguyên tố phải khuếch tán qua lớp tạo thành ban đầu của bề mặt bột để thực hiện phản ứng hóa học.Nghiền bi là một phương pháp hiệu quả để đập vụn và nghiền các hạt phản ứng (Gergely, et al., 2010). 1.3.5 Phương pháp hóa – cơ HA có thể chế tạo bằng phản ứng giữa hai pha rắn CaCO3 và CaHPO4.2H2O (Murugan and Ramakrishna, 2007): 4CaCO3 + 6CaHPO4.2H2O Ca10(PO4)6(OH)2 + 4H2CO3 Hoặc bằng các phản ứng sau (Murugan and Ramakrishna, 2007): 2Ca3(PO4)2 + Ca4P2O9 +H2O Ca10(PO4)6(OH)2 3Ca3(PO4)2 + CaO + H2O Ca10(PO4)6(OH)2
  • 33. Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 19 3Ca3(PO4)2 + Ca(OH)2 Ca10(PO4)6(OH)2 Phương pháp này đựa trên cơ sở tác động một lực ma sát lớn giữa bi và má nghiền của bi đến các cấu tử của hai pha rắn. Lực này phải đủ mạnh để tạo ra sự khuếch tán nội, tiến tới phản ứng hóa học giữa hai pha rắn tạo ra pha rắn thứ ba. Ưu điểm của phương pháp này là điều kiện đơn giản, dễ thực hiên. Nhược điểm là thời gian phản ứng kéo dài, sản phẩm HA nhận được dễ bị lẫn tạp chất do sự mài mòn của bi và má nghiền. 1.4 Một số phương pháp nghiên cứu vật liệu HA 1.4.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD, X – Ray) Phương pháp nhiễu xạ tia X là một kỹ thuật phổ biến được áp dụng để nghiên cứu cấu trúc tinh thể của vật liệu, định lượng pha tinh thể và kích thước hạt với độ tin cậy cao, có thể xác định nhanh, chính xác các pha tinh thể. Hình 1-13 Sơ đồ nguyên lý, cấu tạo thiết bị của phương pháp nhiễu xạ tia X
  • 34. Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 20 Cơ sở của phương pháp nhiễu xạ tia X là dựa vào hiện tượng nhiễu xạ của chùm tia X trên mạng lưới tinh thể. Khi bức xạ tia X tương tác với vật chất sẽ có hiệu ứng tán xạ đàn hồi với các điện tử của các nguyên tử trong vật liệu có cấu trúc tinh thể sẽ dẫn đến hiện tương nhiễu xạ tia X. Hiện tượng nhiễu xạ tia X xảy chỉ xảy ra với các điều kiện sau: vật liệu có cấu trúc tinh thể, có tán xạ đàn hồi, bước sóng λ của tia X phải có giá trị cùng bậc với khoảng cách giữa các nguyên tử trong mạng tinh thể. Chiếu chùm tia X lên mạng lưới tinh thể, mỗi nút mạng tinh thể trở thành trung tâm nhiễu xạ. Các tia tới và tia phản xạ giao thoa với nhau hình thành lên các vân sáng và vân tối xen kẽ nhau. Các cực đại nhiễu xạ vân sáng được xác định theo phương trình Bragg: n= 2dsin Trong đó:  – bước sóng tia X d – khoảng cách giữa hai mặt song song  – góc giữa tia tới hoặc tia phản xạ và mặt phản xạ độ n – bậc phản xạ và là số nguyên dương Dựa vào phổ XRD, kích thước tinh thể được xác định bằng công thức Scherrer: Trong đó: D – kích thước tinh thể trung bình (nm) – góc nhiễu xạ B - độ rộng pic đặc trưng (radian) ở độ cao bằng nữa cường độ cực đại (tại vị trí góc 2 = 25,880, đối với HA) (Gomez‐Morales, et al., 2001) = 1,5406A – bước sóng của tia tới (Gomez‐Morales, et al., 2001) K – hằng số Scherrer phụ thuộc vào hình dạng của tinh thể và chỉ số Miller của vạch nhiễu xạ (đối với HA, k = 0,9) (Gomez‐Morales, et al., 2001) Từ giản đồ XRD, hàm lượng tinh thể tính toán theo phương pháp phân giải pic: Trong đó: C hàm lượng phần trăm tinh thể của bột HA Y cường độ pic đặc trưng của tinh thể HA (chọn pic có chỉ số Miller 300)
  • 35. Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 21 X cường độ của lỗ giữa các pic 300 và 112 Sai số của phương pháp là 5%. Hình 1-14 Giản đồ nhiễu xạ tia X của HA Hàm lượng pha Ca3(PO4)2 (TCP), CaHPO4 trong bột HA được đánh giá bằng phương pháp XRD độ phân giải cao, với góc quay 2 = 24 – 38. Hàm lượng các pha có trong bột được tính toán từ điện tích các pic đặc trưng cho mỗi pha như sau: Trong đó: Sa diện tích pic đặc trưng tinh thể HA (Guicciardi, et al., 2001) Sp diện tích pic đặc trưng tinh thể Ca3(PO4)2 (Guicciardi, et al., 2001) Hình 1-15 Giản đồ nhiễu xạ tia X của HA và TCP Giản đồ XRD của mẫu cần được ghi theo cùng một chế độ với phổ chuẩn ATSM, sau đó kết quả đo được so sánh với dữ liệu ATSM.
  • 36. Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 22 1.4.2 Phương pháp hiển vi điện tử SEM Thiết bị hiển vi điện tử SEM là thiết bị phóng đại đặc biệt giúp quan sát trực tiếp bề mặt của các đối tượng cần nghiên cứu. Sự phóng đại được thực hiện không phải bằng hệ thống thấu kính quang học mà sử dụng va chạm của các hạt electron cường độ cao với mẫu đã được xử lý rồi nhập tín hiệu để thu hình ảnh của bề mặt vật. Độ phóng đại của nó rất lớn ( cỡ vào khoảng vài ngàn đến vài chục ngàn lần) kích thước quan sát có thể đến nm (Zaluzec, 2007) Nguyên tắc hoạt động của thiết bị điện tử SEM là chùm điện tử được tạo ra từ catot qua hai tụ quang sẽ được hội tụ lên mẫu nghiên cứu. Chùm điện tử đập vào mẫu phát ra các điện tử phản xạ thứ cấp. Mỗi điện từ phát xạ này qua điện thế gia tốc vào phần thu và biến đổi thành tín hiệu sáng, chúng được khuếch đại đưa vào mạng lưới điều khiển tạo độ sáng trên màng hình. Mỗi điểm trên mẫu nghiên cứu cho một điểm trên màn hình. Độ sáng tối trên màn hình phụ thuộc lượng điện tử thứ cấp phát với bộ thu, đồng thời còn phụ thuộc bề mặt của mẫu nghiên cứu. Ưu điểm của phương pháp SEM là có thể thu được những bức ảnh ba chiều rõ nét và không đòi hỏi khâu chuẩn bị mẫu quá phức tạp. Hình 1-16 Giản đồ nhiễu xạ tia X của HA và TCP
  • 37. Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 23 CHƯƠNG II: ĐẠI CƯƠNG VỀ KIM LOẠI NẶNG 2.1 Kim loại nặng 2.1.1 Khái niệm Kim loại nặng là những kim loại có khối lượng riêng lớn hơn 5 g/cm3 và thông thường nói đến kim loại nặng là người ta nghĩ đến những nguyên tố có liên quan tới các tính chất không tốt trong một lĩnh vực nào đó. Thuật ngữ “ kim loại nặng” dùng để chỉ những kim loại hoặc á kim liên quan đến vấn đề ô nhiễm môi trường và có độc tính cao đối với cơ thể sống. Các kim loại nặng ở nồng độ thắp (nồng độ vi lượng) là các nguyên tố dinh dưỡng cần thiết cho sự phát triển bình thường của con người. Tuy nhiên nếu vượt quá hàm lượng cho phép, chúng lại gây các tác động vô cùng nguy hại tới sức khỏe con người (Vũ Thị Tâm HIếu, 2009). Chúng được được chia làm 3 loại: các kim loại độc (Hg, Cr, Pb, Zn, Cu, Ni, Cd, As, Co, Sn,…), các kim loại phóng xạ (U, Th, Ra, Am,…) và những kim loại quý (Pd, Pt, Au, Ag, Ru,…). Kim loại nặng gây độc hại với môi trường và cơ thể sinh vật khi hàm lượng của chúng vượt quá tiêu chuẩn cho phép (Chi cục tiêu chuẩn - Đo lường - Chất lượng Bình Thuận, 2013). Kim loại nặng tồn tại trong nước ở dạng ion, chúng phát sinh từ nhiều nguồn khác nhau trong đó chủ yếu là từ các hoạt động công nghiệp. Số lượng ngày càng tăng của kim loại nặng trong môi trường là nguyên nhân gây nhiễm độc đối với đất, không khí và nước. Việc loại trừ các thành phần chứa kim loại nặng ra khỏi các nguồn nước, đặc biệt là nước thải công nghiệp là mục tiêu môi trường quan trọng bậc nhất cần phải giải quyết. 2.1.2 Tính chất của kim loại nặng Kim loại nặng là những kim loại hầu như không bị phân hủy sinh học (Tam, et al., 1995), không độc khi ở dạng nguyên tố tự do nhưng nguy hiểm đối với sinh vật sống khi ở dạng cation do khả năng gắn kết với các chuỗi cacbon ngắn dẫn đến sự tích tụ trong cơ thể sinh vật sau nhiều năm (Islam, et al., 2004). Đối với con người, có khoảng 12 nguyên tố kim loại nặng gây độc như chì, thủy ngân, nhôm, arsen, niken… Một số kim loại nặng được tìm thấy trong cơ thể và thiết yếu cho sức khỏe con người, chẳng hạn như sắt, kẽm, magie, cobalt, mangan, molybden và đồng mặc dù với lượng rất ít nhưng nó hiện diện trong quá trình chuyển hóa. Tuy nhiên, ở mức thừa của các
  • 38. Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 24 nguyên tố thiết yếu có thể nguy hại đến đời sống của sinh vật. Các nguyên tố kim loại còn lại là các nguyên tố không thiết yếu và có thể gây độc tính cao khi hiện diện trong cơ thể, tuy nhiên tính độc chỉ thể hiện khi chúng đi vào chuỗi thức ăn. Các nguyên tố này bao gồm thủy ngân, nickel, chì, arsen, nhôm, platin và đồng ở dạng ion kim loại. Chúng đi vào cơ thể qua các con đường hấp thụ của cơ thể như hô hấp, tiêu hóa và qua da (Chi cục tiêu chuẩn - Đo lường - Chất lượng Bình Thuận, 2013). Ngày nay khi môi trường đang bị ô nhiễm, trong đất, nước tích tụ ngày càng nhiều các kim loại nặng gây độc, tạo nên những mối lo lắng về sức khỏe con người. Nếu kim loại nặng đi vào cơ thể và tích lũy bên trong tế bào lớn hơn sự phân giải chúng thì chúng sẽ tăng dần và sự ngộ độc sẽ xuất hiện. Do vậy người ta bị ngộ độc không những với hàm lượng cao của kim loại nặng mà cả khi với hàm lượng thấp và thời gian kéo dài sẽ đạt đến hàm lượng gây độc (Chi cục tiêu chuẩn - Đo lường - Chất lượng Bình Thuận, 2013). Về mặt sinh hóa, các kim loại nặng có ái lực lớn với các nhóm –SH, –SCH3 của các nhóm enzym trong cơ thể. Vì thế, các enzym bị mất hoạt tính, cản trở quá trình tổng hợp protein của cơ thể con người. 2.1.3 Giới thiệu về ion đồng và độc tính của đồng 2.1.3.1 Ion đồng (Cu2+) Nguyên tố đồng thường tồn tại trong nước ở hai dạng ion Cu2+ và Cu+. Trong đó, Cu2+ là ion phổ biến nhất trong các ion đồng, bền hơn so với ion Cu+ và ở trạng thái có số oxi hóa cao nhất +2. Trong dung dịch nước nó tồn tại chủ yếu ở dạng phức CuH2O4 2+ có màu xanh lam. Cu2+ dễ dàng tạo phức bền với NH3, EDTA, etylen glycol…Cu2+ bền trong môi trường axit và nó có mặt trong nước thải của nhà máy các khu công nghiệp, khu chế xuất (Nhâm, 2003). 2.1.3.2 Độc tính của đồng Một lượng nhỏ đồng là rất cần thiết cho động vật, bởi đồng là thành phần quang trọng cho các enzym: oxidaza, citocrom và galactosa. Sự thiếu đồng gây ra thiếu máu. Khi cơ thể bị nhiễm độc đồng có thể gây một số bệnh về thần kinh, gan, thận, lượng lớn hấp thụ qua đường tiêu hoá có thể gây tử vong (Nhâm, 2003). Sự tồn tại đồng trong nước kìm hãm sự sinh trưởng của tảo ngay cả ở nồng độ thấp. Nước có nồng độ
  • 39. Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 25 3 gCu/L có thể gây độc với cá trong khi đó nồng độ nước 1 gCu/L đã gây ô nhiễm với thực vật (Phạm Hùng Việt, 1999). 2.2 Lý thuyết về hấp phụ 2.2.1 Hiện tượng hấp phụ Các quá trình dị thể như sự hòa tan, sự chuyển pha, sự tạo thành và phân hủy chất rắn, quá trình xúc tác dị thể, quá trình điện hóa... đều xảy ra trên bề mặt phân chia pha. Trạng thái của chất ở trên bề mặt phân chia pha hoàn toàn khác trạng thái của nó khi ở trong lòng các pha do sự khác nhau của các trường phân tử. Sự khác nhau này gây ra những hiện tượng bề mặt trên ranh giới phân chia pha (Lê Văn Cát, 2002). Nếu thành phần của các cấu tử trên bề mặt phân chia pha khác với thành phần trong từng pha thì đã tạo nên cơ sở cho quá trình phân riêng. Hấp phụ là hiện tượng một chất nào đó (dưới dạng phân tử, nguyên tử hay ion) có khuynh hướng tập chung trên bề mặt phân chia pha nào đó. Trong sự hấp phụ trên bề mặt chất hấp phụ rắn, nguyên nhân chủ yếu của sự hấp phụ là do năng lượng dư trên ranh giới bề mặt phân chia pha rắn – khí hay rắn – lỏng. Các lực tương tác trong hấp phụ này có thể là các lực Van der waals. Chất hấp phụ là chất mà phân tử ở lớp bề mặt có khả năng hút các phần tử của pha khác nằm tiếp xúc với nó (Lê Văn Cát, 2002). Trong quá trình hấp phụ thì chất bị hấp phụ là chất bị hút ra khỏi pha thể tích đến tập trung trên bề mặt chất hấp phụ. Thông thường quá trình hấp phụ là quá trình tỏa nhiệt (Lê Văn Cát, 2002). 2.2.2 Phân loại các quá trình hấp phụ Tùy theo bản chất của lực tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ, người ta phân biệt hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học.  Hấp phụ vật lý Hấp phụ vật lý hay hấp phụ “ van der waals” xảy ra do tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ không lớn, các phần tử chủ yếu liên kết với nhau bởi những lực vật lý như lực tĩnh điện, lực tán xạ, cảm ứng và lực dịnh hướng,…không có sự trao đổi electron giữa các phân tử. Cấu trúc điện tử của chất bị hấp phụ ít thay đổi, nhiệt hấp phụ tỏa ra nhỏ (Hoàng Ngọc Hiền, 2008)
  • 40. Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 26 Hấp phụ vật lí là quá trình hai chiều thuận nghịch và ít có tính chọn lọc, chiều ngược của sự hấp phụ là sự khử hấp phụ. Các chất đã bị hấp phụ dễ bị khử hấp phụ. Nó hoàn toàn tuân theo nguyên lí về chuyển dịch cân bằng của Le Châtelier (Hoàng Ngọc Hiền, 2008).  Hấp phụ hóa học Trong hấp phụ hóa học, các phân tử của chất bị hấp phụ liên kết với chất hấp phụ bởi các lực hóa học bền vững tạo thành những hợp chất hóa học bề mặt mới. Sự hấp phụ ôxi trên bề mặt kim loại là một ví dụ về hấp phụ hóa học. Hấp phụ hóa học có hiệu ứng nhiệt lớn (Hoàng Ngọc Hiền, 2008). 2.2.3 Cân bằng hấp phụ Hấp phụ vật lý là một quá trình thuận nghịch. Khi tốc độ hấp phụ (quá trình thuận) bằng tốc độ giải hấp phụ (quá trình nghịch) thì quá trình hấp phụ đạt trạng thái cân bằng. Với một lượng xác định, lượng chất bị hấp phụ là một hàm của nhiệt độ và áp suất hoặc nồng độ của chất bị hấp phụ trong pha tinh thể (Nguyễn Đình Huề, 2000). q = f(T,P hoặc C) Trong đó: q – dung lượng hấp phụ lúc đạt trạng thái cân bằng (mg/g) T – nhiệt độ P – áp suất C – nồng độ của chất bị hấp phụ trong pha tinh thể (mg/L) 2.2.4 Dung lượng hấp phụ cân bằng Dung lượng hấp phụ cân bằng là khối lượng chất bị hấp phụ trên một đơn vị khối lượng chất hấp phụ ở trạng thái cân bằng trong điều kiện xác định về nồng độ và nhiệt độ (GS. TSKH Nguyễn Bin, 2005). Trong đó: q – dung lượng hấp phụ lúc đạt trạng thái cân bằng (mg/g) V – thể tích dung lượng chất bị hấp phụ (L) m – khối lượng chất hấp phụ (g) – nồng độ của chất bị hấp phụ tại thời điểm ban đầu (mg/L)
  • 41. Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 27 2.2.5 Hiệu suất hấp phụ Hiệu suất hấp phụ là tỉ số giữa nồng độ dung dịch bị hấp phụ và nồng độ dung dịch ban đầu (GS. TSKH Nguyễn Bin, 2005). 2.2.6 Mô hình động học hấp phụ Đối với hệ hấp phụ lỏng – rắn, động học hấp phụ xảy ra theo các giai đoạn kế tiếp nhau (Lê Văn Cát, 2002):  Chất bị hấp phụ chuyển động đến bề mặt chất hấp phụ. Đây là giai đoạn khuếch tán trong dung dịch.  Phần tử chất bị hấp phụ chuyển động tới bề mặt ngoài của chất hấp phụ chứa các hệ mao quản. Đây là giai đoạn khuếch tán màng.  Chất bị hấp phụ khuếch tán vào bên trong hệ mao quản của chất hấp phụ. Đây là giai đoạn khuếch tán trong mao quản.  Các phần tử chất bị hấp phụ được gắn vào bề mặt chất hấp phụ. Đây là giai đoạn hấp phụ thực sự.  Trong tất cả các giai đoạn đó, giai đoạn có tốc độ chậm sẽ quyết định hay khống chế chủ yếu quá trình động học hấp phụ. Với hệ hấp phụ trong môi trường nước, quá trình khuếch tán thường chậm và đóng vai trò quyết định. 2.2.7 Các phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Khi nhiệt độ không đổi, đường biểu diễn q = fT (P hoặc C) được gọi là đường hấp phụ đẳng nhiệt. Đường hấp phụ đẳng nhiệt biểu diễn sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ tại một thời điểm vào nồng độ cân bằng hoặc áp suất của chất bị hấp phụ tại thời điểm đó ở một nhiệt độ xác định. Đối với chất hấp phụ là chất rắn, chất bị hấp phụ là chất lỏng, khí thì đường hấp phụ đẳng nhiệt được mô tả qua các phương trình như: phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Henry, Freundlich, Langmuir,....(Nguyễn Đình Huề, 2000)
  • 42. Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 28 2.2.7.1 Phương trình Freundlich Trên một khoảng có nồng độ nhỏ và đặc biệt với dung dịch loãng đường đẳng nhiệt cho quá trình hấp phụ có thể được mô tả theo biểu thức thực nghiệm Freundich (Trầm Trung Bích Thảo, 2011). 1 cbkCq   n Trong đó: k, n – các hằng số. Ccb – nồng độ chất bị hấp phụ lúc đạt trạng thái cân bằng (mg/L) q – dung lượng hấp phụ lúc đạt trạng thái cân bằng (mg/g) Phương trình trên được tuyến tính như sau: log q = log k + n–1log Ccb Các hằng số k, n xác định được bằng cách vẽ đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc giữa log q và log Ccb. 2.2.7.2 Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Henry Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Henry là phương trình đơn giản mô tả sự tương quan tuyến tính giữa lượng chất bị hấp phụ trên bề mặt pha rắn và nồng độ hoặc áp suất của chất bị hấp phụ ở trạng thái cân bằng (Hoàng Ngọc Hiền, 2008). Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Henry có dạng: a = K.P hay q = K.Ccb Trong đó: a – lượng chất bị hấp phụ (mol/g) K – hằng số hấp phụ Henry P – áp suất (mmHg) q – dung lượng hấp phụ cân bằng (mg/g) Ccb .nồng độ chất bị hấp phụ lúc đạt trạng thái cân bằng (mg/L) 2.2.7.3 Phương trình Langmuir Phương trình Langmuir cổ điển là phương trình phổ biến nhất và đơn giản nhất mô tả mối quan hệ giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ trong quá trình hấp phụ sinh học (Trầm Trung Bích Thảo, 2011).
  • 43. Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 29 cb cbmax bC1 bCq q   Trong đó: q – dung lượng hấp phụ lúc đạt trạng thái cân bằng (mg/g) qmax – dung lượng hấp phụ lúc đạt trạng thái cân bằng (mg/g) Ccb – nồng độ chất bị hấp phụ lúc đạt trạng thái cân bằng (mg/L) b – hằng số cân bằng hấp phụ Phương trình trên được tuyến tính như sau:                    cbmaxmax C 1 bq 1 q 1 q 1 Các hằng số qmax và b được xác định bằng cách vẽ đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa 1/q và 1/Ccb. Hình 2-1 Đường hấp phụ đẳng nhiệt Languir
  • 44. Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 30 Hình 2-2 Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb Từ mối quan hệ giữa Ccb/q và Ccb dễ dàng tính được qmax và hằng số b.
  • 45. Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 31 CHƯƠNG III: THỰC NGHIỆM 3.1 Hóa chất, nguyên liệu và dụng cụ thiết bị 3.1.1 Hóa chất Axit phosphoric (H3PO4) 98% (Trung Quốc) Axit clohydric (HCl) 36 – 38% (Trung Quốc) Axit sunfuric (H2SO4) 95 – 98% (Trung Quốc) Amoniac (NH3) 25 – 28% (Trung Quốc) Ethanol (C2H5OH) 96% (Việt Nam) Đồng nitrate (Cu(NO3)2.3H2O) 99 – 102% (Trung Quốc) Murexide (C8H8N6O6) 25g (Trung Quốc) EDTA (C10H14N2O8Na2.2H2O) 0,05 N (Trung Quốc) Natri clorua (NaCl) 99,5% (Trung Quốc) 3.1.2 Nguyên liệu Vỏ sò thu gom trên địa bàn quận Ninh Kiều thành phố Cần Thơ, được rửa sạch làm nguồn nguyên liệu cho quá trình tổng hợp bột HA. Hình 3-1 Nguyên liệu vỏ sò được rửa sạch Ảnh SEM của vỏ sò tự nhiên được chụp tai phòng thí nghiệm chuyên xâu Trường Đại Học Cần Thơ (hình 3-2) cho thấy chúng được cấu tạo bởi các lớp mỏng xếp chồng khít lên nhau. Các lớp này bao gồm các khối đa diện không đều cấu tạo từ CaCO3 nằm cạnh nhau và giữa các khối đa diện tồn tại các lỗ xốp.
  • 46. Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 32 Hình 3-2 Ảnh SEM của vỏ sò tự nhiên với độ phóng đại khác nhau Kết quả phân tích thành phần hóa mẫu vỏ sò bằng thiết bị Xray tại nhà máy xi măng Holcim (Hòn Chông, Kiên Giang) được trình bày ở bảng 3-1. Bảng số liệu trên cho thấy vỏ sò gồm có các nguyên tố: canxi, cacbon, nhôm, natri, mangan, sắt, lưu huỳnh và clorua. Trong đó, hai nguyên tố Ca và C tồi tại ở dạng hợp chất (CaCO3), chiếm đến 96,68% tổng hàm lượng khoáng, các nguyên tố khác (Al, Na, Mn, Fe, Cl và S) chiếm khoảng 3,32%. Bảng 3-1 Thành phần nguyên tố và hàm lượng CaCO3 của vỏ sò Thành phần Chỉ tiêu phân tích (%) Total LOI 44,18 98,78 Al2O3 0,15 SiO2 0,00 Fe2O3 0,01 CaO 54,14 MgO 0,00 SO3 0,05 K2O 0,00 Na2O 0,22 P2O5 0,00 Cl 0,03 Mn2O3 0,01 TiO2 0,00 CaCO3 - 96,68
  • 47. Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 33 3.1.3 Dụng cụ Nhiệt kế thủy ngân 100 C Bình định mức 250 mL, 1000 mL Ống đong 5 mL, 10 mL, 100 mL Bát nung Becher 100 mL, 250 mL 3.1.4 Thiết bị Bếp nhiệt: Alma, Japan Máy khuấy từ có gia nhiệt: IKA RH basic, Germany Máy khuấy từ có gia nhiệt: Schott Gerate GmbH, Germany Máy đo pH: Thermo Scientific Orion 3 star, USA Bơm hút chân không: Welch Máy nghiền bi: Sassuolo, Italy Lò nung: Nabertherm, Germany Tủ sấy: Memmert, Đức Cân 2 số: Sartorius TE412 Cân 4 số: Sartorius – CP224S 3.2 Đia điểm và thời gian thực hiện Địa điểm : Phòng thí nghiệm hóa học hữu cơ, vô cơ – Bộ môn Công Nghệ Hóa – Khoa Công Nghệ - Trường Đại học Cần Thơ. Thời gian thực hiện : 01/09/2014 đến hết ngày 24/11/2014. 3.3 Tổng hợp bột HA Bột HA được tổng hợp từ bột CaO và H3PO4 qua hai giai đoạn chính sau đây : 3.3.1 Qui trình tạo bột CaO từ vỏ sò Vỏ sò sau khi thu gom, được rửa sạch sơ bộ bằng nước thường, sấy khô ở 100 C và đập thành những viên nhỏ kích thước khoảng 10 10 mm bằng búa. Sau đó, luộc rửa nhiều lần bằng nước cất và etanol để loại bỏ các tạp chất cơ học, các hợp chất hữu cơ và tiếp tục đem sấy khô. Vỏ sò sau khi đã rửa sạch và sấy khô được nghiền mịn trong máy nghiền bi khoảng 30 phút. Sau quá trình nghiền bột vỏ sò được nung ở nhiệt độ 900 C trong 3 giờ để đảm bảo CaCO3 phân hủy hoàn toàn thành CaO theo phương
  • 48. Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 34 trình: CaCO3 CaO + H2O. Bột CaO được bảo quản trong hộp nhựa kín dùng làm nguyên liệu tổng hợp HA. Hình 3-3 Quy trình điều chế bột CaO Hình 3-4 Bột CaO tạo từ vỏ sò Vỏ sò thu gom Rửa nước thường Sấy khô Đập nhỏ Luộc, rửa với cồn và nước cất Sấy khô Nghiền Rây Nung 900 C, 3 h Bột CaO
  • 49. Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 35 3.3.2 Quy trình điều chế HA được mô tả như sau Mô tả thí nghiệm: Hòa tan một lượng bột CaO vào 100 ml nước cất trong cốc 250 ml và khuấy đều trong 30 phút ở nhiệt độ phòng, thu được huyền phù có nồng độ cần khảo sát. Đinh mức dung dịch H3PO4 đến nồng độ cần khảo sát và đông 100 ml dung dịch H3PO4 cho vào ống chuẩn độ được đặt trên cốc 250 ml. Sau đó gia nhiệt lên nhiệt độ cần khảo sát. Khi dung dịch huyền phù Ca(OH)2 được gia nhiệt đến nhiệt độ nghiên cứu bắt đầu nhỏ từng giọt dung dịch H3PO4 vào cho đến hết, cho dung dịch NH3 vào để điều chỉnh pH = 10 – 12, tiếp tục khuấy hỗn hợp thêm 4 giờ. Hỗn hợp phản ứng được khuấy và gia nhiệt bằng máy khuấy từ đến nhiệt độ cần khảo sát và tốc độ mong muốn, duy trì tại nhiệt độ và tốc độ đó trong suốt thời gian phản ứng. Nhiệt độ thí nghiệm được đo bằng nhiệt kế thủy ngân. Sau đó hạ nhiệt độ phản ứng về nhiệt độ phòng. Sản phẩm thu được ở dạng huyền phù, màu trắng. Để lắng 72 giờ để ổn định cấu trúc rồi lọc chân không thu lấy sản phẩm và sấy khô ở 60 0C trong khoảng 72 giờ. Sản phẩm sau khi sấy khô được đem nung ở nhiệt độ khảo sát trong thời gian là 4 giờ. Hình 3-5 (a) mô hình tạo bột HA bằng phản ứng thủy nhiệt, (b) già hóa hỗn hợp huyền phù sau phản ứng, (c) sản phẩm sau khi lọc và sấy khô
  • 50. Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 36 Hình 3-6 Quy trình tổng hợp bột HA 3.3.3 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ chất phản ứng đến chất lượng bột HA Bảng 3-2 Các thông số thực nghiệm của nồng độ chất phản ứng khảo sát Mẫu H1 H2 H3 H4 Nồng độ dung dịch Ca(OH)2 (M) 0,15 0,5 1,5 2 Nồng độ dung dịch H3PO4 (M) 0,09 0,3 0,9 1,2 Nhiệt độ phản ứng (C) 30 Nhiệt độ nung (C) 900 Sản phẩm thu được từ quy trình tổng hợp trên được tiến hành phân tích nhiễu xạ tia X để chọn nồng độ chất phản ứng thích hợp và khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng. Bột CaO 100 ml nước cất Khuấy 30 phút Phản ứng 4 h (pH = 10 – 12)NH3 (25%) Làm già tủa 72 giờ Lọc Sấy (60 C, 72 giờ) Nung Bột HA H3PO4 đậm đặc 100 ml nước cất
  • 51. Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 37 3.3.4 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến chất lượng của bột HA Bảng 3-3 Các thông số thực nghiệm của nhiệt độ khảo sát Mẫu H5 H6 H7 Nhiệt độ phản ứng (C) 30 60 90 Nhiệt độ nung (C) 900 Nồng độ dung dịch Ca(OH)2 (M) 0,5 Nồng độ dung dịch H3PO4 (M) 0,3 Sản phẩm thu được từ quy trình phản ứng trên tiến hành phân tích nhiễu xạ tia X. Trên cơ sở kết quả phân tích XRD chọn nhiệt độ phản ứng thích hợp để khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung. 3.3.5 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến chất lượng của bột HA Bảng 3-4 Các thông số thực nghiệm của nhiệt độ nung cần khảo sát Mẫu H8 H9 H10 H11 H12 Nhiệt độ nung (C) 100 500 700 900 1100 Nhiệt độ phản ứng (C) 90 Nồng độ dung dịch Ca(OH)2 (M) 0,5 Nồng độ dung dịch H3PO4 (M) 0,3 Tiến hành phân tích nhiễu xạ tia X sản phẩm thu được từ quy trình điều chế trên. Từ đó xác định điều kiện tối ưu để tổng hợp bột HA với độ tinh khiết cao. 3.4 Nghiên cứu hấp phụ Để khảo sát khả năng hấp phụ ion kim loại Cu2+ của vật liệu hấp phụ HA chúng tôi tiến hành nhiều bước thực nghiệm. Các bước thực nghiệm được tiến hành là chuẩn bị dung dịch với tỷ lệ rắn – lỏng là 200 mg bột HA tương ứng với 100 ml dung dịch chứa ion Cu2+. Giá trị pH đầu khi khảo sát được cố định ở 5, quá trình thực nghiệm được tiến hành ở nhiệt độ phòng (37 1 C). Cho hấp phụ sau khoảng thời gian 30 phút đến 8 giờ, dung dịch được tách ra khỏi chất rắn và đem phân tích nồng độ sau khi hấp phụ.
  • 52. Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 38 Hình 3-7 Quá trình hấp phụ ion Cu2+ bằng bột HA Hình 3-8 Bột HA trước và sau quá trình hấp phụ 3.4.1 Chuẩn bị hóa chất và dung dịch Cách pha dung dịch Cu2+ nồng độ 1000 mg/L: cân chính xác 1,89 g Cu(NO3)2.3H2O cho vào bình định mức rồi định mức lên đến 500 ml bằng nước cắt với pH = 4, được dung dịch Cu2+ nồng độ 1000 mg/L. Từ dung dịch gốc pha loãng thành các dung dịch có nồng độ ban đầu xác định để tiến hành khảo sát hấp phụ. Chỉ thị Murexit: Cân chính xác 99 g NaCl và 1g bột murexit cho vào hộp nhựa hai chất trên và lắc đều ta được murexit 1%. Dung dịch EDTA chuẩn: cho hết bột EDTA trong ống chuẩn và bình định mức 1000 ml đổ nước cất cho đến vạch ta được EDTA 0,05 N. Từ dung dịch gốc pha loãng thành dung dịch có nông độ ban đầu xác định để tiến hành chuẩn độ. 3.4.2 Cách phân tích xác định nồng độ ion Cu2+ Khi xác định nồng độ ion Cu2+ trong dung dịch nước lọc thì sẽ xác định được nồng độ ion Cu2+ đã được hấp phụ vào trong bột HA