Mức độ tiêu thụ Polystyrene (PS) ngày càng nhiều, tuy vậy vòng đời sử dụng chúng tương đối ngắn do đó việc thải bỏ PS thải hàng năm ra môi trường là rất lớn. Công nghệ tái chế vật liệu thải bỏ vừa mang lại hiệu quả kinh tế mà còn góp phần bảo vệ môi trường và hạn chế khai thác nguồn tài nguyên. Trong đề tài này, tác giả lựa chọn nhựa PS thải (PSW) từ chén nhựa sử dụng một lần điều chế tạo thành nhựa trao đổi ion bằng phương pháp sulfonate với xúc tác bạc sulfate.
Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 Kỷ yếu khoa học NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO NHỰA TRAO ĐỔI ION TỪ QUÁ TRÌNH SULFONATE POLYSTYRENE THẢI ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ NƯỚC CỨNG VÀ NƯỚC NHIỄM KIM LOẠI NẶNG Nguyễn Thanh Trúc* Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM *Tác giả liên lạc: trucnt945@gmail.com TÓM TẮT Mức độ tiêu thụ Polystyrene (PS) ngày nhiều, vòng đời sử dụng chúng tương đối ngắn việc thải bỏ PS thải hàng năm môi trường lớn Công nghệ tái chế vật liệu thải bỏ vừa mang lại hiệu kinh tế mà cịn góp phần bảo vệ mơi trường hạn chế khai thác nguồn tài nguyên Trong đề tài này, tác giả lựa chọn nhựa PS thải (PSW) từ chén nhựa sử dụng lần điều chế tạo thành nhựa trao đổi ion phương pháp sulfonate với xúc tác bạc sulfate Do đó, việc hướng đến mục tiêu tái chế nhựa PSW từ chén dĩa nhựa thành nhựa trao đổi ion mở hướng chế tạo nhựa trao đổi ion từ vật liệu thải bỏ Kết nghiên cứu vô thành công hiệu suất xử lý nhựa nghiên cứu kim loại ion cứng đạt > 80% Nhựa điều chế có gốc cation acid mạnh với nhóm chức SO3-H+ tìm thấy phương pháp đo FTIR, TGA Hiệu xử lý nước cứng đạt từ 80%-90% xử lý kim loại nặng (Zn2+, Cd2+, Pb2+, Cu2+) đạt từ 70-80% điều kiện khuấy trộn liên tục Từ góp phần tạo tảng cho hướng nghiên cứu đề tài điều chế nhựa thải đồng thời mang lại lợi nhuận cho doanh nghiệp xử lý chất thải Từ khóa: Nhựa PS, nhựa PS thải, phương pháp sulfonate, xúc tác bạc sulfate, phân tích phổ hồng ngoại, phân tích nhiệt trọng lượng, nước cứng, kim loại nặng SYNTHESIS OF SUNFONATED ION EXCHANGE RESIN FROM WASTE POLYSTYRENE AND THEIR APPLICATION FOR HARDNESS AND HEAVY METALS REMOVAL Nguyễn Thanh Trúc* University of Technology and Education, HCM city * Corresponding author: trucnt945@gmail.com ABSTRACT The level of consumption of Polystyrene more and more, however lifecycle using them relatively short due that the disposal of waste PS into the environment annually is huge The solution of recycling waste materials more meaningful, not only brings more economic benefits but also contribute to environmental protection and exploitation resources In this study, waste PS was selected from disposable cups, plates in order to make ion exchange resin by sulfonatation method with silver sulfate catalyst As a result, making ion exchange resin from recycled PS of disposable cups, plates has opened up new avenues for ionexchange resin production from waste materials The results of this study are successful with the metal and calcium removal efficiency of over 80% The strong acidic cationic base derivative with functional group SO3 –H+ was found by FTIR, TGA The efficiency of hard water treatment reached from 80%-90% and heavy metals (Zn2+, Cd2+, Pb2+, Cu2+) reach from 70-80% in terms of continuous operation mode This has contributed to solving problem of plastic waste generation while brings profits to the enterprises in waste treatment Keywords: Hardness water, heavy metals, Polystyrene, Polystyrene waste, Fourrier Transformation InfraRed, sulfonation method, silver sulfate catalyst, ThermoGravimetric Anlysis TỒNG QUAN Trong năm gần nước ta, môi trường nước ngày bị ô nhiễm kim loại nặng nước nhiễm cứng Mặt khác, nay, người phụ thuộc lớn vào loại vật liệu làm từ nhựa tiện 529 Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 Kỷ yếu khoa học ích đơn giản, dễ sử dụng rẻ tiền, nhiên chúng khơng cịn hữu ích thải bỏ môi trường cách tràn lan, bừa bãi, làm môi trường bị ô nhiễm nặng nề Phải đến hàng trăm năm chí hàng nghìn năm để mảnh rác thải nhựa bị phân hủy hoàn toàn điều kiện tự nhiên tốc độ phân hủy chậm Song song với phần mặt tiêu cực phế thải từ nhựa nhà nghiên cứu tìm thấy tiềm lớn, theo nhựa thải biến đổi thành loại vật liệu hữu ích cho mơi trường Một số tiềm nhà chuyên gia tìm thấy phải kể đến tiềm biến đổi nhựa thải thành hạt nhựa trao đổi ion (Andrea E Holboke and Robert P Plnnell, 1987), màng trao đổi ion (S Mulijani, K Dahlan, and A Wulanawati, 2014), … Từ ứng dụng nhựa trao đổi ion điều chế từ nhựa thải để xử lý nước thải nước cấp góp phần hạn chế nhiễm mơi trường (Memmert WB 10), Tủ sấy (Memmert UN55), Máy lắc (SK-0330), Máy đo pH (Mettler Toledo S220-K), Máy đo kim loại nặng (Metrohm 797 VA Computrace) Phương pháp nghiên cứu: Sulfonate PSW với xúc tác bạc sulfat Cân 5g nhựa PS thải từ chén nhựa, cắt vụn sau tráng rửa nước cất Sấy khô nhựa 105°C 2h Trong thời gian chờ sấy, chuẩn bị bình cầu 100ml chứa 0.05g AgSO4, thêm vào Vml H2SO4 đậm đặc, khuấy cẩn thận cho tan hết kết tủa cho 5g nhựa PSW vào bình, đun nóng t°C bếp cách thủy vòng T phút, khuấy Để kết thúc trình, tiến hành chiết dung dịch đun vào cốc chứa nước cất để ngưng tụ dung dịch nóng tạo kết tủa nhựa Lọc kết tủa (nhựa) thu rửa nhiều lần với nước cất đến loại bỏ hoàn toàn phần axit dư bám nhựa Sau đó, sấy khơ nhựa thu 105°C vòng 8-10 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP Vật liệu Chén nhựa sử dụng lần Các hóa chất sử dụng: Ag2SO4, Murexide (LabChem, USA), H2SO4, NaCl, HCl,…Các loại thiết bị sử dụng: bếp đun cách thủy KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Khảo sát thông số tối ưu điều chế nhựa Nhựa thành phẩm khảo sát hiệu xử lý canxi với nồng độ 40 ppm để tìm giá trị tối ưu Các thơng số trình bày hình 1, hình hình 100 80 60 40 20 Hiệu suất xử lý Canxi % V= 10ml V= 15ml V=20ml V=25ml V=30ml Thể tích H2SO4 Hình Hiệu suất xử lý Ca2+ qua khảo sát thơng số thể tích H2SO4 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 Hiệu suất xử lý Canxi % t = 60 t =70 t = 80 t = 90 (oC) t = 100 Nhiệt độ phản ứng Hình Hiệu suất xử lý Ca2+ qua khảo sát thông số nhiệt độ 530 Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 % Kỷ yếu khoa học Hiệu xử lý Canxi 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 t = 30 t = 60 t = 90 t = 120 t = 150 Thời gian phản ứng Hình Hiệu suất xử lý Ca2+ qua khảo sát thơng số thời gian Hình cho thấy sản phẩm tạo thành dễ bị rửa ứng đạt tới trạng thái cân Vậy qua trôi q trình rửa nhựa khả khảo sát thời gian t = 120°C cho hiệu trao đổi giảm lúc gốc –SO3H bị cao tách khỏi chuỗi polystyrene (Martins et al., Khảo sát đặc tính FTIR 2003) Vì V=20ml thể tích tối ưu Hình cho thấy việc xuất đỉnh Hình cho thấy thấy phản ứng nhựa phổ FTIR vị trí 1.017cm-1 và axit đạt bão hịa 90 oC nên với nhiệt 1.376cm-1 chứng tỏ xuất nhóm độ cao khơng làm tăng khả phản liên kết S=O đỉnh 3.444cm-1 xuất ứng mà làm nhựa thành phẩm bị cháy liên kết -OH Trong đó, hấp thụ đen dẫn đến giảm hiệu xử lý (S Paul, 1.017 cm-1 kết rung động kéo 1981) Hình cho thấy khả trao đổi giãn đối xứng nhóm SO3H tăng dần theo thời gian sau giảm, phản Hình Kết phân tích FTIR Khảo sát đặc tính TGA 472.39°C, điểm khối lượng Hình 5, điểm bắt đầu khối lượng trước hiệu trung bình 454.48°C Và kết thúc toàn ứng 362.84°C, điểm bắt đầu quy trình trình, phần trăm khối lượng nhựa bị giảm nhiệt độ ổn định 438.05°C, tương ứng 80.058% nhiệt kết thúc hiệu ứng điểm kết thúc thay đổi khối lượng 497.38°C 531 Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 Kỷ yếu khoa học Hình Kết phân tích TGA PSW Khảo sát hiệu xử lý nước cứng nước nhiễm kim loại nặng Canxi, magie lại (mg/l) 100 95 90 87.32 85 79.16 80 75 70 65 60 55 50 24 20 86.34 84.39 16 77.56 74.35 12 88.3 80.76 Lượng nhựa phản ứng (g) Hiệu suất xử lý (%) Ảnh hưởng lượng nhựa 28 Ảnh hưởng nồng độ 30.00 100 25.00 10.00 90 88.62 90.25 85.38 83.96 85.37 81.3 80.5 80 75.95 75.95 70 67.95 5.00 60 20.00 15.00 0.00 Hiệu suất xử lý (%) Canxi, magie lại (mg/l) Hình Ảnh hưởng lượng nhựa đến trình loại bỏ Ca2+, Mg2+ 50 20 40 60 80 100 Nồng độ Canxi, magie ban đầu (mg/l) Hình Hiệu suất xử lý Ca2+, Mg2+ theo nồng độ Ca2+, Mg2+ 14 12 10 82.93 71.95 90.25 83.98 95.13 91.98 120 97.55 96 100 80 60 40 20 0 10 30 Thời gian phản ứng (phút) 60 Hình Ảnh hưởng thời gian phản ứng đến trình loại bỏ Ca2+, Mg2+ 532 Hiệu suất xử lý (%) Canxi, Magie lại (mg/l) Ảnh hưởng thời gian Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 Kỷ yếu khoa học Hiệu suất khử Ca2+, Mg2+ 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 Hiệu suất, % 85.38 75.95 67.08 45.9 15.83 47.9 53.68 48.8 68.3 23.85 10 11 12 13 14 15 16 17 Thời gian Ca - PSW Mg - PSW Ca - 220 Na Mg - 220 Na Hình Hiệu suất loại bỏ Ca2+, Mg2+ vận hành liên tục nhựa PSW 220 Na Mối quan hệ nồng độ hiệu suất 12 90 80 70 60 50 40 H (%) Nồng độ sau, ppm 10 30 20 10 0 10 20 40 Nồng độ đầu, ppm Nồng độ Zn Nồng độ Cu Hiệu suất Pb Nồng độ Cd Hiệu suất Zn Hiệu suất Cu Nồng độ Pb Hiệu suất Cd Hình 10 Mối quan hệ nồng độ hiệu suất KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Điều chế thành công nhựa trao đổi ion từ nguyên liệu thải bỏ chén nhựa polystyrene xài lần Dung lượng trao đổi cao 1.68 eq/l, khối lượng riêng 0.91 kg/m3, độ ẩm đạt 51% khơng có độ trương nở Mục tiêu tái chế, tận dụng nguồn nguyên liệu chén dĩa sử dụng thải bỏ để chế tạo thành loại vật liệu có ích mà thu nhựa có khả xử lý nước nhiễm cứng nhiễm kim loại nặng tương đối cao nghiên cứu khả quan Nhựa trao đổi điều chế từ PSW có hình dạng vảy to, kích thước khơng đồng trình chuẩn bị nguyên liệu đầu vào thủ công bị sulfonate bề mặt nên khả trao đổi không cao nhựa thị trường Indion 220 Na Cần đầu tư máy móc để đảm bảo hạt nhựa có kích thước nhỏ, đồng Ngồi nghiên cứu theo hướng tìm hiểu dung mơi hịa tan nhựa sau tạo hạt với kích thước đồng với tiết diện hạt tròn hạn chế lỗ rỗng bọt khí q trình vận hành hệ thống Ngồi ra, vật liệu sử dụng đề tài giới hạn chén, dĩa nhựa polystyrene sử dụng lần để nghiên cứu điều chế thành nhựa trao đổi ion tương lai nên mở rộng đề tài với loại polystyrene thải từ nhiều nguồn khác loại polymer khác để mang lại đa đạng xây dựng hệ thống thông tin khả trao đổi loại nhựa trao đổi ion điều chế từ loại nhựa thải khác Trong phạm vi đề tài nhựa điều chế từ PSW ứng dụng để xử lý nước cứng chứa Ca2+, Mg2+ số kim loại nặng phổ biến Zn, Cd, Cu, Pb Tuy nhiên 533 Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 ứng dụng nhựa trao đổi khử khống hợp chất As, P, Xi, chất phóng xạ, phương pháp cho phép thu hồi chất có giá trị với độ làm Kỷ yếu khoa học nước cao nên mở rộng nghiên cứu để khai thác triệt để ứng dụng nhựa trao đổi TÀI LIỆU THAM KHẢO PAVIA, DONALD L, GARY M LAMPMAN, JR GEORGE S KRIZ, (1982), Introduction to organic laboratory techniques: a contemporary approach, Pages 77-191 AGOSTINHO LCL, NASCIMENTO L AND CAVALCANTI BF (2012): Water Hardness Removal for Industrial Use: Application of the Electrolysis Process, Open Access Scientific Reports STEPHEN LOWER (JULY 2007) “Hard water and water softening” Retrieved 2007-10-08 SARAH E H COMSTOCK, TREAVOR H BOYER (2014), Combined magnetic ion exchange and cation exchange for removal of DOC and hardness, Contribution to journal, Pages 366-375 B.M WATSON, C.D HORNBURG (1989), Low-energy membrane nanofiltration for removal of color, organics and hardness from drinking water supplies, Desalination, Vol 72 Pages 11-22 M HUNSOMA, K PRUKSATHORNA, S DAMRONGLERDA, H VERGNESB, P DUVERNEUIL (2005), Electrochemical treatment of heavy metals (Cu2+, Cr6+, Ni2+) from industrial effluent and modeling of copper reduction, Water search, Vol.36, Pages 610-616 534 ... thông tin khả trao đổi loại nhựa trao đổi ion điều chế từ loại nhựa thải khác Trong phạm vi đề tài nhựa điều chế từ PSW ứng dụng để xử lý nước cứng chứa Ca2+, Mg2+ số kim loại nặng phổ biến Zn,... chế, tận dụng nguồn nguyên liệu chén dĩa sử dụng thải bỏ để chế tạo thành loại vật liệu có ích mà thu nhựa có khả xử lý nước nhiễm cứng nhiễm kim loại nặng tương đối cao nghiên cứu khả quan Nhựa. .. ion (Andrea E Holboke and Robert P Plnnell, 1987), màng trao đổi ion (S Mulijani, K Dahlan, and A Wulanawati, 2014), … Từ ứng dụng nhựa trao đổi ion điều chế từ nhựa thải để xử lý nước thải nước