Trong nghiên cứu này, Cellulose acetate được tổng hợp bã mía và kết hợp với Zeolite để tạo thành sợi Cellulose acetate/Zeolite (CA/Ze) nhằm nghiên cứu khả năng hấp phụ kim loại nặng. Kết quả nghiên cứu cho thấy sợi CA/Ze có khả năng trao đổi ion của các kim loại nặng trong nước, đối với ion kim loại Pb2+ thì hiệu suất lên đến 98.90% trong điều kiện tối ưu là pH = 5; thời gian xử lý 150 phút, nồng độ đầu vào là 25 mg/L và khối lượng sợi cần dùng là 0.3 g.
Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 Kỷ yếu khoa học TỔNG HỢP CELLULOSE ACETATE TỪ BÃ MÍA VÀ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG XỬ LÝ KIM LOẠI NẶNG TRONG NƯỚC CỦA SỢI CELLULOSE ACETATE/ZEOLITE (CA/Ze) Nguyễn Trung Hiệp*, Trương Thị Cẩm Trang Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Tp Hồ Chí Minh * Tác giả liên lạc: nguyentrunghiep.hcmus@gmail.com TĨM TẮT Trong nghiên cứu này, Cellulose acetate tổng hợp bã mía kết hợp với Zeolite để tạo thành sợi Cellulose acetate/Zeolite (CA/Ze) nhằm nghiên cứu khả hấp phụ kim loại nặng Kết nghiên cứu cho thấy sợi CA/Ze có khả trao đổi ion kim loại nặng nước, ion kim loại Pb2+ hiệu suất lên đến 98.90% điều kiện tối ưu pH = 5; thời gian xử lý 150 phút, nồng độ đầu vào 25 mg/L khối lượng sợi cần dùng 0.3 g Đối với ion Cu2+ hiệu suất xử lý 91.7% điều kiện pH =5, thời gian 180 phút với nồng độ đầu vào 10 mg/L khối lượng vật liệu 0.4 g Từ khóa: Bã mía, Cellulose acetate, Zeolite, hấp phụ, kim loại nặng, sợi Cellulose acetate/Zeolite SYNTHESIS CELLULOSE ACETATE FROM SUGARCANE BAGASSE AND FABRICATION OF CELLULOSE ACETATE/ ZEOLITE (CA/Ze) MATERIAL FOR CAPTURE TO COPPER (II) AND LEAD (II) Nguyen Trung Hiep*, Truong Thi Cam Trang Faculty of Environment, University of Sciences – VNU Ho Chi Minh City * Corresponding author: nguyentrunghiep.hcmus@gmail.com ABSTRACT In this study, cellulose acetate was synthesized from bagasse and combined with zeolite to form cellulose acetate/zeolite (CA/Ze) fiber in order to research its ability to adsorb heavy metals The results show that CA/Ze fibers have the capacity for ion exchange with heavy metals in water For Pb2+ ions, the efficiency is up to 98.90% under optimal conditions of pH = 5; the shaking time of 150 minutes, the input concentration of 25 mg/L and 0.3 g of fiber For the Cu2+ ions, the processing efficiency was 91.7% at pH 5, 180 minutes shaking time, 10 mg/L of input concentration and 0.4 g of fiber Keywords: Sugarcane bagasse, cellulose acetate, zeolite, adsorption, heavy metals, cellulose acetate/zeolite fibers TỔNG QUAN Ô nhiễm kim loại nặng từ ngành công nghiệp mối đe dọa nghiêm trọng sức khỏe người, hệ sinh thái độc tính, bền vững xu hướng tích lũy sinh học mơi trường tự nhiên Vì vậy, việc áp dụng phương pháp xử lý nhằm giảm thiểu loại bỏ kim loại nặng nước điều cần thiết ngày quan tâm giới nói chung Việt Nam nói riêng Hiện nay, Có nhiều phương pháp loại bỏ kim loại nặng nước nghiên cứu ứng dụng kết tủa hóa học, trao đổi ion, điện hóa, sinh học, q trình màng, hấp phụ Trong đó, phương pháp hấp phụ phương pháp xử lý đơn giản, dễ sử dụng, chi phí thấp, khả tái sinh vật liệu hấp phụ tốt, đồng thời tận dụng nhiều loại vật liệu phế thải ngành khác để làm nguồn nguyên liệu hấp phụ Zeolite biết đến vật liệu có nguồn gốc từ địa chất với cấu trức tinh thể không gian ba chiều nhiều lỗ xốp rổng có khả hấp phụ trao đổi ion cao, thích hợp cho việc xử lý kim loại nặng nước, nhiên vấn đề thu hồi tái sử dụng nên cần có biện pháp khắc phục, cụ thể nhiều hợp chất Polymers chiết xuất từ phế thải nguyên liệu sinh học nghiên cứu để kết hợp với Zeolite tạo thành dạng sợi, hạt, màng,… 561 Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 có khả loại bỏ kim loại nặng tốt, dễ tái sinh, tái sử dụng với giá thành rẻ dễ thực Bên cạnh đó, Cellulose acetate chế tạo từ bã mía, loại phế thải sản xuất đường, nước ngọt, … vật liệu đề xuất với hiệu cao, cho thấy hướng nghiên cứu thực đầy hứa hẹn cho việc loại bỏ kim loại nặng khỏi môi trường nước Năm 2012, Fei Ji, Chaolin Li cộng nghiên cứu sợi Zeolite kết hợp với Cellulose acetate để hấp phụ kim loại nặng Năm 2013, Machawe Mxolisi Motsa nghiên cứu vật liệu polymer Polypropylene – Zeolite cho việc lọc nước Năm 2016, Kohtaroh Nakamoto, Masaru Ohshiro, Takaomi Kobayashi nghiên cứu sợi Mordenite NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP Nguyên liệu Zeolite A-3, cơng thức MeO.Al2O3.mSiO2.nH2O, kích thước hạt 200 mesh mua từ Spectrum Chemicals & Laboratory Products Co.,Ltd (Nhật bản) Dung dịch muối chứa kim loại nặng pha chế phịng thí nghiệm với nồng độ xác định 100mg/L Cellulose acetate tổng hợp từ bã mía có nguồn gốc từ tỉnh Bến Tre, Việt nam Kỷ yếu khoa học zeolite -Polyethersulfone để xử lý kim loại nặng nước Trong nghiên cứu này, Cellulose acetate điều chế từ bã mía khác với Fei Ji (2012) sử dụng Cellulose acetate (CA, Mw = 30,000 g/mol) từ Shanghai Chemical Reagent Co., Ltd (Shanghai, China) Đây điểm bật, mục tiêu nghiên cứu “tạo vật liệu xử lý môi trường từ phế thải nông nghiệp đáp ứng việc phát triển bền vững” Bên cạnh đó, việc tổng hợp Cellulose acetate từ bã mía tạo tiền đề đế áp dụng việc xử lý phế thải khác Tiết kiệm kinh phí xử lý phế thải, tiết kiệm kinh phí từ việc mua Cellulose acetate thương mại mà đáp ứng nhu cầu an tồn mơi trường Phương pháp tổng hợp Cellulose acetate từ bã mía Bã mía rửa cắt nhỏ, phơi ánh nắng mặt trời vài Sau bã mía sấy tủ sấy nhiệt độ 50oC 24 Cân 12 gam bã mía xử lý giai đoạn trên, ngâm nước cất 12 Sau lọc bã mía ngâm 300 ml dung dịch NaOH 0.25M nhiệt độ phịng 24 Bã mía sau ngâm NaOH lọc rửa lại nước cất nhiều lần đến trung tính Hình Quy trình tổng hợp Cellulose acetate từ bã mía Phương pháp chuẩn bị sợi Cellulose khảo sát khả hấp phụ kim loại nặng Thí nghiệm theo mẻ tiến hành với dung Acetate/Zeolite Cân gam cellulose acetate hòa tan vào dịch chứa kim loại nặng Cu(II), Pb(II) với hỗn hợp Acetone/nước (1:6 w/w) cách pH thay đổi từ đến điều chỉnh pH sử dụng máy khuấy từ khuấy Sau 0.1M NaOH 0.1M HNO3 Lượng 1.5 gam Zeolite thêm từ từ vào hệ sợi CA/Ze sử dụng 0.3g cho vào thống tiếp tục khuấy nhiệt 50ml dung dịch chứa ion kim loại nặng với độ phòng Hỗn hợp thu sau khuấy nồng độ đầu vào Cu(II), Pb(II) tiến hành tạo sợi phương pháp kéo 100mg/L Thí nghiệm tiến hành với tốc sợi khô độ lắc 150 vịng/phút 2h nhiệt độ Tính chất sợi Cellulose Acetate/Zeolite phòng 562 Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 Kỷ yếu khoa học KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Tổng hợp Cellulose Acetate từ bã mía Hình Cellulose triacetate (trái) cellulose aceate tổng hợp từ bã mía Như nhìn thấy hình 2, Cellulose acetate anhydride acetic acid Quá trình làm tăng tổng hợp từ bã mía có màu vàng hiệu nhóm chức acetyl cấu trúc suất thu trình 52% Cellulose thể rõ qua việc phân tích Cellulose triacetate tổng hợp từ phổ FTIR CTA (Hình 3) trình acetyl hóa cellulose acid acetic Hình Phổ FTIR bã mía (SCB), Cellulose, CTA, CA CA/Ze Tính chất sợi Cellulose acetate/Zeolite có peak đặc trưng sơi có nét tương đồng với nhóm chức đặc trưng (CA/Ze) Sau tổng hợp sợi CA/Ze có kích thước 1- Zeolite CA, điều chứng tỏ Zeolite 2mm, chiều dài trung bình 10-15cm, khơng phủ lên sợi, có liên kết Zeolite tan nước, biến dạng HNO3 đặc và CA sợi CA/Ze Hình cho thấy cấu có tính giịn Hình thể phổ FTIR trúc bề mặt mặt cắt ngang sợi CA/Ze, bã mía, cellulose, sợi CA/Ze dẫn xuất quan sát hình nhận thấy bề mặt vật liệu bị cellulose acetate Các peak đại diện cho phủ kín, nhiên quan sát kỹ thấy nhóm chức đặc trưng cấu trúc nhiều hạt nhỏ bám dính bề mặt sợi vật liệu Sự so sánh cấu trúc sợi CA/Ze bề mặt cắt ngang ta thấy rõ CA/Ze tổng hợp với cấu trúc kết hợp Zeolite CA cấu trúc Cellulose Acetate (CA) Zeolite, nhận thấy sợi 563 Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 Kỷ yếu khoa học Hình Ảnh chụp SEM mặt cắt ngang sợi CA/Ze độ phóng đại khác (a) X 50 (b) X 1,500 (c) X 10,000 Một số tính chất ảnh hưởng đến khả hấp phụ kim loại nặng sợi CA/Ze pH ảnh hưởng đến dạng tồn ion kim loại nước, pH ảnh hưởng lơn đến khả hấp thụ sợi CA/Ze Hình 5, ta thấy vật liệu sợi CA/Ze có dung lượng hấp phụ ion Pb(II) tốt nhất, sau Cu(II), pH Với dung lượng hấp phụ 14.07, 5.50 mg/g Hình Ảnh hưởng nồng độ Hình Ảnh hưởng pH Các ion kim loại Pb (II), Cu (II), trao đổi với ion kim loại kiềm nằm hạt Zeolite nhằm cân nồng độ với ion dung dịch Hình cho thấy hiệu xuất xử lý sợi CA/Ze ion kim loại Pb (II), Cu (II), giảm tăng nồng độ ban đầu ion kim loại này, việc tăng nồng độ đầu vào mà không tăng lượng chất hấp phụ (ở CA/Ze) nên dẫn đến hiệu suất hấp phụ giảm xuống Đối với ion Pb (II), khoảng nồng độ xử lý tối 25 mg/L, với khoảng nồng độ hiệu suất xử lý đạt đến 98% Đối với Cu(II), sợi CA/Ze cho thấy khả xử lý tốt khoảng nồng độ 10 mg/L, hiệu suất xử lý đạt 91.7% Việc khảo sát đường đẳng nhiệt hấp phụ thực tham số thể Bảng Các khảo sát tính tốn ion kim loại Pb2+ Cu2+ cho thấy hệ số tương quan thu mơ hình Langmuir r2=0.996 Pb r2=0.989 cao mơ hình Freundlich, điều chứng tỏ mơ hình đẳng nhiệt Langmuir phù hợp với kết thí nghiệm sợi CA/Ze Ngồi ra, kết thể Pb2+, Cu2+ hấp thụ vào CA/Ze chế vật lý hóa học nhiên hấp phụ hóa học, đơn lớp chiếm ưu 564 Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 Kỷ yếu khoa học Bảng Đường đẳng nhiệt Langmuir-Freundlich Kim loại Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir Freundlich Pb2+ Cu2+ qm 20.576 3.273 KL 0.315 0.121 R2 0.996 0.989 Kf 0.014 1,362 1/n 2.651 0.166 0.954 0.964 R KẾT LUẬN Nghiên cứu thành công việc tổng hơp Cellulose acetate từ bã mía tạo sợi CA/Ze có khả xử lý kim loại Pb(II) Cu(II) nước Kết cho thầy sợi CA/Ze có khả loại bỏ kim loại nặng nước tn theo mơ hình đẳng nhiệt Langmuir, hiệu suất loại bỏ lên đến 98.90% ion kim loại Pb2+ 91.7% Cu2+ điều kiện tối ưu Lời cảm ơn Tác giả nhóm nghiên cứu xin gửi lời cảm ơn Công ty TNHH Nhà máy Bia Heineken Việt Nam tài trợ kinh phí góp phần giúp cho nghiên cứu nhóm thành cơng TÀI LIỆU THAM KHẢO FEI JI, CHAOLIN LI, (2012), Preparation of cellulose acetate/zeolite composite fiber and its adsorption behavior for heavy metal ions in aqueous solution, Chemical Engineering Journal 209, 325-333 MACHAWE MXOLISI MOTSA (2013), Polyprolylene-zeolite polymer composites for water purification: synthesis, characterisation and application, Desalination and Water Treatment, 1-9 manganese from aqueous solution by kaolinite, Water Res 37 948–952 KOHTAROH NAKAMOTO, MASARU OHSHIRO, TAKAOMI KOBAYASHI (2016) Mordenite zeolite—Polyethersulfone composite fibers developed for decontamination of heavy metal ions, Journal of Environmental Chemical Engineering (2017) 513–525 M F FERREIRA JUNIOR et.al (2011) SEM study of the morphology of asymmetric cellulose acetate membranes produced from recycled agroindustrial residues: sugarcane bagasse and mango seeds Polym Bull 66:377–389 R.G CANDIDO, A.R GONCALVES (2016) Synthesis of cellulose acetate and carboxymethylcellulose from sugarcane straw Carbohydrate Polymers 152:679–686 565 ... Nghiên cứu thành công việc tổng hơp Cellulose acetate từ bã mía tạo sợi CA/Ze có khả xử lý kim loại Pb(II) Cu(II) nước Kết cho thầy sợi CA/Ze có khả loại bỏ kim loại nặng nước tn theo mơ hình đẳng... bị sợi Cellulose khảo sát khả hấp phụ kim loại nặng Thí nghiệm theo mẻ tiến hành với dung Acetate/ Zeolite Cân gam cellulose acetate hòa tan vào dịch chứa kim loại nặng Cu(II), Pb(II) với hỗn hợp. .. pháp tổng hợp Cellulose acetate từ bã mía Bã mía rửa cắt nhỏ, phơi ánh nắng mặt trời vài Sau bã mía sấy tủ sấy nhiệt độ 50oC 24 Cân 12 gam bã mía xử lý giai đoạn trên, ngâm nước cất 12 Sau lọc bã