BÁO CÁO " NGHIÊN CỨU BÁN TỔNG HỢP CACBOXYL METHYL CELLULOSE (CMC) HÒA TAN TỪ CELLULOSE THÂN TRE " pdf

Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 8 Đại học Đà Nẵng năm 2012 1 NGHIÊN CỨU BÁN TỔNG HỢP CACBOXYL METHYL CELLULOSE (CMC) HÒA TAN TỪ CELLULOSE THÂN TRE THE STUDY OF SEMISYNTHESIZE DISSOLVABLE CARBOXYL METHYL CELLULOSE (CMC) FROM CELLULOSE OF BAMBOO SVTH: Đào Hồng Thắm Lớp 08SHH, Khoa Hóa, Trường Đại học Sư phạm, Đại học Đà Nẵng GVHD: PGS. TS. Lê Tự Hải Khoa Hóa, Trường Đại học Sư Phạm, Đại học Đà Nẵng TÓM TẮT Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu bán tổng hợp cacboxyl methyl cellulose (CMC) hòa tan từ cellulose được tách từ thân tre. Dùng phương pháp sunfat (phương pháp Kraft) để tách cellulose từ thân tre. Sau đó, tiến hành tổng hợp CMC từ cellulose tách từ thân tre và natri cloaxetat. Qua nghiên cứu đã tìm được điều kiện tối ưu cho quá trình nấu tre để tách cellulose bẳng phương pháp sunfat và điều kiện tối ưu cho quá trình bán tổng hợp CMC hòa tan từ cellulose thân tre. CMC sau khi bán tổng hợp được sử dụng để khảo sát khả năng ức chế ăn mòn kim loại. Từ khóa: cacboxyl methyl cellulose; phương pháp sunfat; cellulose thân tre; natri cloaxetat; ăn mòn kim loại, ABSTRACT The paper presents the research results about semisynthesizing dissolvable carboxyl methyl cellulose (CMC) from cellulose is extracted from bamboo. Sulfate method (Kraft method) was used to extract cellulose from bamboo. Then, synthesize CMC from cellulose is extracted from bamboo and sodium chloroacetate. Optimal conditions for the process heating bamboo to extract cellulose by sulfate method and optimal conditions for the process semisynthesizing dissolvable carboxyl methyl cellulose (CMC) from cellulose of bamboo were explored through research. Semisynthesized CMC was used to survey ability of inhibition of metal corrosion. Key words: carboxyl methyl cellulose; sulfate method; cellulose from bamboo; sodium chloroacetate; metal corrosion. 1. Đặt vấn đề Tre có tên khoa học là Bambusa arundinacea, có mặt ở nhiều nơi trên thế giới và ở khắp các làng quê Việt Nam. Trong công nghiệp, tre dùng để sản xuất bột giấy (bột cellulose). Từ bột cellulose, có thể sản xuất giấy hoặc làm nguyên liệu để tổng hợp nhiều loại sản phẩm khác, trong đó có cacboxyl methyl cellulose (CMC). Cacboxyl methyl cellulose là chất được tổng hợp từ alcalicellulose và natri cloaxetat, có nhiều ứng dụng thực tế: làm chất phụ gia trong công nghiệp tẩy rửa, bảo vệ bùn dùng trong khoan mỏ dầu khí, làm tăng độ dẻo cho đất sét, làm chất trao đổi ion, CMC tinh khiết còn được sử dụng trong dược phẩm, mỹ phẩm, thực phẩm. Với những lý do trên, chúng tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu bán tổng hợp cacboxyl methyl cellulose (CMC) hòa tan từ cellulose thân tre”. Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 8 Đại học Đà Nẵng năm 2012 2 2. Giải quyết vấn đề 2.1. Nguyên liệu Nguyên liệu thân tre được chặt từ cây tre, cưa nhỏ để chuyển về dạng dăm mảnh, sấy ở 80 0 C đến khô. 2.2. Phương pháp nghiên cứu 2.2.1. Nghiên cứu lý thuyết - Phân tích và tổng hợp lý thuyết: nghiên cứu cơ sở khoa học của đề tài. - Nghiên cứu giáo trình và tài liệu tham khảo có liên quan đến đề tài. - Trao đổi với giáo viên hướng dẫn. - Dùng toán học thống kê để xử lý kết quả. 2.2.2. Nghiên cứu thực nghiệm - Tách cellulose từ thân tre. - Bán tổng hợp cacboxyl methyl cellulose (CMC). - Xác định cấu trúc của CMC bằng + Xác định mức độ thế DS. + Phương pháp phân tích phổ hồng ngoại (IR). - Khả năng ức chế ăn mòn kim loại của CMC bằng phương pháp điện hóa. 2.3. Sơ đồ nghiên cứu Quy trình tách cellulose từ thân tre được thực hiện như sau: Quy trình bán tổng hợp CMC được thực hiện như sau: Alcalicellulose Kiềm hóa bằng dung dịch NaOH Cacboxylmethyl cellulose (CMC) kĩ thuật Natri cloaxetat Cacboxylmethyl cellulose (CMC) Làm sạch Bột Cell trắng (cellulose ) Tre khô Dăm gỗ Bột Cell thô (còn lignin) Bột Cell trắng (cellulose) Xử lý hóa bằng p 2 sunfat (Kraft) Tẩy trắng Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 8 Đại học Đà Nẵng năm 2012 3 3. Kết quả và thảo luận 3.1. Tách cellulose 3.1.1. Tách cellulose thô từ thân tre Khi nấu tre bằng phương pháp sunfat với thời gian nấu 4 giờ, kích thước tre 1 cm, tỉ lệ NaOH/Na 2 S = 2 thì hàm lượng lignin còn lại trong tre là thấp nhất với chỉ số Kappa (Kappa là khái niệm cho biết mức độ hòa tan lignin trong quá trình tẩy trắng bột giấy). Theo định nghĩa, chỉ số K là số mililit dung dịch KMnO 4 0,1N cần cho phản ứng oxy hóa 1 gam bột khô tuyệt đối) là 2,42x10 = 24,2. Các yếu tố tối ưu được sử dụng để nấu tre theo phương pháp sunfat. Sau khi nấu theo phương pháp sunfat, ta thu được cellulose thân tre thô (còn lignin). 3.1.2. Tẩy trắng cellulose Tiến hành tẩy trắng bột cellulose thô theo quy trình CEHP thu được bột cellulose trắng. Sản phẩm cellulose thân tre được phân tích bằng phương pháp phổ hồng ngoại tại phòng thí nghiệm hóa phân tích của trường Đại học Sư phạm Đà Nẵng. Hình 1. Phổ hồng ngoại của cellulose thân tre 3.2. Bán tổng hợp CMC 3.2.1. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ NaOH đến mức độ thế của CMC Kết quả xác định mức độ thế của các sản phẩm CMC được trình bày trong bảng 1 và hình 2. Bảng 1. Ảnh hưởng của nồng độ NaOH đến mức độ thế của CMC STT NồNG Độ DD NAOH D (ML) DS 1 15% 2,75 0,680 2 17,5% 2,70 0,699 3 20% 2,83 0,650 4 30% 2,80 0,661 5 40% 2,80 0,661 Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 8 Đại học Đà Nẵng năm 2012 4 Hình 2. Ảnh hưởng của nồng độ NaOH đến mức độ thế của CMC Từ kết quả thu được ở bảng 1 và hình 2, ta thấy kiềm hóa cellulose bằng dung dịch NaOH 17,5% thì mức độ thế ở CMC là cao nhất. 3.2.2. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian kiềm hóa đến mức độ thế của CMC Kết quả xác định mức độ thế của các sản phẩm CMC được trình bày trong bảng 2 và hình 3. Bảng 2. Ảnh hưởng của thời gian kiềm hóa đến mức độ thế của CMC Hình 3. Ảnh hưởng của thời gian kiềm hóa đến mức độ thế của CMC Từ kết quả thu được ở bảng 2 và hình 3, ta thấy kiềm hóa cellulose trong 1 giờ thì mức độ thế ở CMC là cao nhất. 3.2.3. Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ mol ClCH 2 COONa/cellulose đến mức độ thế của CMC Kết quả xác định mức độ thế của các sản phẩm CMC được trình bày trong bảng 3 và hình 4. STT THờI GIAN KIềM HÓA (T 1 ) D (ML) DS 1 1 GIờ 2,70 0,699 2 2 GIờ 2,80 0,661 3 3 GIờ 2,80 0,661 4 4 GIờ 2,85 0,643 5 5 GIờ 2,95 0,606 Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 8 Đại học Đà Nẵng năm 2012 5 Bảng 3. Ảnh hưởng của tỉ lệ mol ClCH 2 COONa/cellulose đến mức độ thế của CMC Hình 4. Ảnh hưởng của tỉ lệ mol ClCH 2 COONa/cellulose đến mức độ thế của CMC Từ kết quả thu được ở bảng 3 và hình 4, ta thấy bán tổng hợp CMC với tỉ lệ mol ClCH 2 COONa/cellulose bằng 2:1 thì mức độ thế ở CMC là cao nhất. 3.2.4. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian cacboxyl hóa đến mức độ thế của CMC Kết quả xác định mức độ thế của các sản phẩm CMC được trình bày trong bảng 4 và hình 5. Bảng 4. Ảnh hưởng của thời gian cacboxyl hóa đến mức độ thế của CMC STT KHốI LƯợNG CLCH 2 COONA (M) (Tỉ Lệ MOL CLCH 2 COONA/CELLULOSE) D (ML) DS 1 3,6 GAM (1 : 1) 3,20 0,519 2 5,4 GAM (1,5 : 1) 2,78 0,668 3 7,2 GAM (2 : 1) 2,70 0,699 4 9,0 GAM (2,5 : 1) 2,85 0,643 5 10,8 GAM (3 : 1) 2,88 0,632 STT THờI GIAN CACBOXYL HÓA (T 2 ) D (ML) DS 1 1 GIờ 2,88 0,632 2 2 GIờ 2,70 0,699 3 3 GIờ 2,80 0,661 4 4 GIờ 2,80 0,661 Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 8 Đại học Đà Nẵng năm 2012 6 Hình 5. Ảnh hưởng của thời gian cacboxyl hóa đến mức độ thế của CMC Từ kết quả thu được ở bảng 3.4 và hình 3.5, ta thấy thời gian cacboxyl methyl hóa bằng 2 giờ thì mức độ thế ở CMC là cao nhất. Điều kiện tối ưu cho quá trình bán tổng hợp CMC từ cellulose thân tre là: kiềm hóa với dung dịch NaOH 17,5% trong 1 giờ và cacboxyl methyl hóa với tỉ lệ mol ClCH 2 COONa/cellulose = 2 : 1 trong thời gian 2 giờ. Với điều kiện này thì thu được CMC với DS = 0,699. Chúng tôi sử dụng điều kiện tối ưu cho quá trình bán tổng hợp CMC từ cellulose thân tre để bán tổng hợp CMC. Hình 6. Phổ hồng ngoại của CMC bán tổng hợp từ cellulose thân tre 3.3. Khảo sát khả năng ức chế ăn mòn kim loại của CMC 3.3.1. Ảnh hưởng của thời gian ngâm thép trong dung dịch CMC đến tính chất ức chế ăn mòn Điện cực thép CT3 được ngâm trong dung dịch CMC 30 mg/l với các thời gian là 5 phút, 10 phút, 20 phút, 30 phút. Sau đó tiến hành đo đường cong phân cực của thép CT3 trong dung dịch NaCl 3,5%. Kết quả được trình bày ở bảng 5 và hình 7. Bảng 5. Giá trị điện trở phân cực (R p ), dòng ăn mòn (i corr ) và hiệu quả ức chế Z (%) theo thời gian ngâm thép trong dung dịch CMC 30 mg/l THờI GIAN NGÂM (PHÚT) R P (OHM) I CORR (MA/CM 2 ) Z (%) 0 16.1826 4.03E-01 0.00 Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 8 Đại học Đà Nẵng năm 2012 7 5 18.4135 3.54E-01 12.12 10 18.9704 3.44E-01 14.70 20 25.4297 2.56E-01 36.36 30 21.8095 2.99E-01 25.80 Hình 7. Đường cong phân cực của thép trong dung dịch NaCl 3,5% với thời gian ngâm thép trong dung dịch CMC 30 mg/l là 0 phút, 5 phút, 10 phút, 20 phút, 30 phút. Từ bảng 5 và hình 7, ta thấy CMC có tính chất ức chế ăn mòn thép CT3 trong dung dịch NaCl 3,5% và thời gian ngâm thép tối ưu trong dung dịch CMC là 20 phút. 3.3.2. Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch CMC đến tính chất ức chế ăn mòn kim loại Tiến hành ngâm thép trong dung dịch CMC với các nồng độ 20 mg/l, 30 mg/l, 40 mg/l, 50 mg/l, 60 mg/l, 70 mg/l với thời gian 20 phút và đo đường cong phân cực thép CT3 trong dung dịch NaCl 3,5%. Kết quả thu được trình bày ở bảng 6 và hình 8. Bảng 6. Giá trị điện trở phân cực (R p ), dòng ăn mòn (i corr ) và hiệu quả ức chế Z (%) theo nồng độ dung dịch CMC với thời gian ngâm 20 phút NồNG Độ CMC (MG/L) R P (OHM) I CORR (MA/CM 2 ) Z (%) 0 16.1826 4.03E-01 0.00 20 20.3202 3.21E-01 20.36 30 25.4297 2.56E-01 36.36 40 27.9392 2.33E-01 42.08 50 29.6823 2.20E-01 45.48 60 33.1918 1.97E-01 51.25 70 32.7663 1.99E-01 50.61 Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 8 Đại học Đà Nẵng năm 2012 8 Hình 8. Đường cong phân cực của thép trong dung dịch NaCl 3,5% với thời gian ngâm thép là 20 phút trong dung dịch CMC 20 mg/l, 30 mg/l, 40 mg/l, 50 mg/l, 60 mg/l, 70 mg/l Từ bảng 6 và hình 8, ta thấy nồng độ dung dịch CMC càng tăng thì hiệu quả ức chế càng cao và ứng với nồng độ dung dịch CMC là 60 mg/l thì hiệu quả ức chế ăn mòn cao nhất và đạt 51,25%. 4. Kết luận 1. Đã tìm được điều kiện tối ưu cho quá trình nấu tre bằng phương pháp sunfat là: - Kích thước nguyên liệu: 1cm. - Tỉ lệ tác chất nấu NaOH/Na 2 S = 2. - Nhiệt độ: 155 0 C (nhiệt độ sôi của hỗn hợp). - Thời gian nấu: 4 giờ. Với điều kiện này thì lượng lignin còn lại trong tre sau khi nấu là thấp nhất với chỉ số Kappa là 24,2. 2. Kết quả phân tích phổ hồng ngoại của cellulose thân tre chứng tỏ đây là anpha – cellulose, phù hợp với các số liệu đã được công bố. 3. Đã tìm được điều kiện tối ưu cho quá trình bán tổng hợp cacboxyl methyl cellulose hòa tan từ cellulose thân tre là: - Nồng độ dung dịch NaOH dùng để kiềm hóa là 17,5%. - Thời gian kiềm hóa: 1 giờ. - Tỉ lệ mol ClCH 2 COONa/cellulose = 2:1. - Thời gian cacboxyl metyl hóa: 2 giờ. Với điều kiện này thì thu được CMC hòa tan với mức độ thế là 0,699. 4. Kết quả phân tích phổ hồng ngoại của CMC bán tổng hợp từ cellulose thân tre cho thấy sự xuất hiện các pic đặc trưng của các nhóm chức cacboxy và metyl, chứng tỏ đã ghép thành công nhóm cacboxyl methyl vào cellulose thân tre. 5. Đã khảo sát được tính chất ức chế ăn mòn kim loại của CMC: CMC có tính chất ức chế ăn mòn kim loại. Với thời gian ngâm thép là 20 phút trong dung dịch CMC 60 mg/l thì hiệu quả ức chế ăn mòn thép CT3 trong dung dịch NaCl Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 8 Đại học Đà Nẵng năm 2012 9 3,5% là cao nhất và đạt 51,25%. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Thị Ngọc Bích (2003), Kỹ thuật xenlulô và giấy, NXB Đại học quốc gia Tp. Hồ Chí Minh. [2] Phan Lương Cầm (1985), Ăn mòn và bảo vệ kim loại, Đại học Kỹ thuật Delf, Hà Lan. [3] Lê Tự Hải (2003), Giáo trình điện hóa học, ĐH Sư phạm Huế. [4] Hồ Sĩ Tráng (2006), Cơ sở hóa học gỗ và xenluloza (tập 1,2), NXB Khoa học và Kỹ thuật. [5] Nguyễn Minh Tuyển, Quy hoạch thực nghiệm, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. [6] Bamboo, http://en.wikipedia.org/wiki/Bamboo. [7] CMC knowledge, http://www.lihong.net/en/RD/PACCMCknowledge/ CMCknowledge/tabid/138/Default.aspx. [8] Bono, A., Ying, P. H., Yan, F. Y., Muei, C. L., Sarbatly, R., Krisnaiah, D. (2009), Synthesis and Characterization of Cacboxylmethyl Cellulose from Palm Kernel cake, Advances in Natural and Applied Sciences, 3(1): 5-11. . tài: Nghiên cứu bán tổng hợp cacboxyl methyl cellulose (CMC) hòa tan từ cellulose thân tre . Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa. TÓM TẮT Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu bán tổng hợp cacboxyl methyl cellulose (CMC) hòa tan từ cellulose được tách từ thân tre. Dùng phương