BIẾN TÍNH PHẾ THẢI NÔNG NGHIỆP –THÂN cây CHUỐI ỨNG DỤNG xử lý nước NHIỄM dầ

Tạp chí Khoa học Cơng nghệ, Số 49, 2021 BIẾN TÍNH PHẾ THẢI NƠNG NGHIỆP – THÂN CÂY CHUỐI ỨNG DỤNG XỬ LÝ NƯỚC NHIỄM DẦU BẠCH THỊ MỸ HIỀN Khoa Cơng nghệ Hóa học, Trường Đại học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh bachthimyhien@iuh.edu.vn Tóm tắt Cơng trình nghiên cứu trình bày biến tính phế thải nông nghiệp – thân chuối sau thu hoạch buồng làm vật liệu hấp phụ dầu, sử dụng axit stearic xúc tác H2SO4 Hình thái vật liệu đánh giá hiển vi điện tử quét (SEM) Các nhóm chức hữu có vật liệu kiểm tra quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) Tính chất nhiệt vật liệu phân tích phương pháp nhiệt trọng lượng (TGA) Diện tích bề mặt vật liệu đo phương pháp phương pháp Brunauer-Emmet-Teller (BET) Kết phân tích từ phương pháp hóa lý đại cho thấy cho thấy vật liệu sau biến tính trở nên xốp nhiều, lỗ xốp phân bố đồng so với vất liệu thô ban đầu Khả hấp phụ dầu vật liệu khảo sát theo phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm tỷ lệ phối trộn giữa vật liệu axit stearic, thời gian biến tính, kích thước vật liệu, nhiệt độ môi trường nồng độ dầu Kết tối ưu trình hấp phụ diễn điều kiện hệ giả lập dầu tràn biển với nồng độ NaCl nước 3,5%, tỷ lệ dầu nước 5g dầu/50 mL nước biển, thời gian hấp phụ 15 phút Từ khóa Dầu loang, xử lý nước nhiễm dầu, thân chuối, biến tính, hấp thụ MODIFICATION OF AGRICULTURAL WASTE – BANANA STEM FOR REMOVAL OF CRUDE OIL FROM WATER Abstract This study describes the modification of agricultural waste - banana stem after harvesting banana chamber for oil adsorption, using stearic acid and H2SO4 in the role of catalyst The morphology of materials was examined by scanning electron microscopy (SEM) The organic functional groups presented in the material were analyzed by Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) Thermal properties of materials were evaluated by thermal gravimetric method (TGA) Surface area of the material was measured using the Brunauer-Emmet-Teller method (BET) Physicochemical analysis showed that the modified material becomes much more porous, wherein the pores are distributed more evenly compared to the raw material The oil-adsorption activity of the material was also evaluated according to many factors, including the modification ratio between material and stearic acid, the modification time, the particle size of the material, the adsorption temperature and the concentration of crude oil The optimal adsorption process takes place under conditions of simulating oil spill in seawater with NaCl concentration of 3.5%, the oil concentration of 5g oil/50 mL of seawater in 15 minutes Keywords Oil spill, oil-contaminated water treatment, banana stem, modification, absorption GIỚI THIỆU Song song với phát triển cơng nghệ tồn cầu, nhu cầu lượng tăng nhanh, theo ngành cơng nghiệp khai thác chế biến dầu khí ngày phát triển nhằm đáp ứng đủ nhu cầu nguồn nguyên liệu Tuy công nghệ khai thác chế biến qua năm dần hoàn thiện trở nên đại hơn, song không tránh tình trạng rị rỉ thất dầu mơi trường tự nhiên, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến hệ thống sinh thái chất lượng sống người [1, 2] Dầu loang biển vấn đề nhức nhối khơng với Việt Nam mà cịn vấn đề tồn giới Ơ nhiễm dầu gây ảnh hưởng nghiêm trọng tới môi trường sinh thái đặc biệt sinh thái biển, những vùng đầm phá, rừng nhập mặn ven biển, hệ sinh thái san hô, vùng nước nóng vùng triều cát ven biển Dầu tràn biển mang theo độc tố trước tiên tác động đến sinh vật biển theo hướng làm giảm lượng oxi hòa tan vào nước biển Hướng thứ hai tác động vào chuỗi thức ăn, loài chim biển đậu xuống khu vực dầu loang bị dầu bám lên cánh, gây bết lông không bay lên chết đói, dầu bám vào cá gây nhiễm độc cho cá qua da, chim ăn cá bị nhiễm độc Từ những sinh vật nhỏ sinh vật phù du, những © 2021 Trường Đại học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh BIẾN TÍNH PHẾ THẢI NƠNG NGHIỆP – THÂN CÂY CHUỐI ỨNG DỤNG XỬ LÝ NƯỚC NHIỄM DẦU 85 mắt xích chuỗi thức ăn hệ sinh thái biển, cá ăn vi sinh vật, cá lớn ăn cá nhỏ, hải cẩu, cá heo, cá voi, chim người ăn cá, tất bị ngộ độc Dầu làm trứng khả phát triển, trứng bị ung, thối Dầu phá hủy trầm trọng dải thực vật biển Ngăn chặn nảy mầm non, làm chết nhiều loài rong, tảo ảnh hưởng lớn tới hệ thống thực vật biển ven biển Dầu lẫn cát bờ biên, bị sóng đánh vào gềnh đá, bờ đảo làm mỹ quan, gây mùi khó chịu ảnh hưởng tới doanh thu ngành du lịch Vì ngành nghiên cứu phương pháp vật liệu xử lý nước nhiễm dầu ngày đầu tư trọng [3, 4, 5] Các phương pháp dùng để xử lý dầu tràn chia thành nhóm chính: nhóm phương pháp vật lý, nhóm phương pháp hố học nhóm phương pháp sinh học [6, 7, 8] Nhóm phương pháp vật lý dựa sở quây gom, dồn dầu vào vị trí định để tránh dầu lan diện rộng Điển hình phương pháp dùng phao giữ dầu nồi mặt nước, dầu cố định phao, cần phải gỡ bỏ dầu khỏi mặt nước cách kết hợp với số phương pháp khác hấp thu, phân tán Ưu điểm: Ngăn chặn, khống chế thu gom nhanh chóng lượng dầu tràn trường Nhược điểm: Các thiết bị thu gom thường hoạt động hiệu vùng nước tĩnh với bề mặt sóng, lượng dầu hút vào lớn lớp dầu có chiều dày cố định, tính tốn chỉnh khả tần suất làm việc thiết bị cho đạt hiệu cao [9] Phương pháp hóa học phương pháp xử lý cố tràn dầu cách sử dụng chất phân tán; chất keo tụ hấp thu dầu, chất phá nhũ tương dầu - nước Phương pháp sử dụng để làm dầu có khơng có phương pháp làm học dầu tràn thời gian dài Tuy nhiên thời điểm sử dụng chất phân tán hóa học gây ảnh hưởng xấu đến sinh vật tiếp xúc với chất phân tán: san hô, động vật biển Do tác động xấu chất phân tán sinh vật sống vùng xử lý dầu những tác dụng phụ chất phân tán lại nước sau xử lý nên việc sử dụng chất phân tán bị hạn chế [10] Phương pháp sinh học phương pháp sử dụng loài vi sinh vật nấm, vi khuẩn để thúc đẩy trình phân hủy hidrocarbon dầu mỏ Đó q trình tự nhiên vi sinh vật phân hủy dầu thành chất khác Các sản phẩm tạo CO2, nước phân tử không gây ảnh hưởng xấu đến môi trường Khuyết điểm: vi khuẩn hay bị mưa gió trơi, nhấn chìm, q trình phân hủy xảy chậm, với lượng lớn thời gian làm dài gây nhiều tác hại trước dầu làm hoàn toàn Do vậy, phương pháp có ý nghĩa với cố thất thoát dầu mức độ nhỏ nhà máy lọc dầu, kho chứa dầu Nếu dầu tràn mặt nước với lượng lớn phương pháp khơng có ý nghĩa [11] Gần đây, cơng nghệ biến tính tổng hợp vật liệu nhằm tăng tính kị nước tăng khả hấp thu dầu trọng nghiên cứu [12] Nhiều loại vật liệu chế tạo, đánh giá so sánh khả hấp thu dầu hiệu kinh tế Điển hình vật liệu hấp thu dầu sở polyme tổng hợp Polyme tổng hợp hấp thu dầu phải polyme kị nước, tính kị nước ưa dầu đặc điểm chung polyme Rất nhiều polyme tạo từ dẫn xuất alkyl acrylat, alkylmetacrylat, dẫn xuất hidrocacbon mạch vòng, nhóm có lực lớn dầu Một số polyme thuộc loại copolyme lauryl acrylat butyl metacrylat với chất tạo lưới etylen glycol dimetacrylat, copolyme stearyl metacrylat divinyl benzen Khả hấp thu hợp chất hữu tổng hợp cao nhiều so với loại vật liệu lại, nhược điểm vật liệu lại chúng bị phân huỷ chậm so với vật liệu tự nhiên từ cỏ, mặt khác sau hấp thu dầu xong vật liệu khó có khả thu hồi mà thường để tự phân huỷ điều kiện tự nhiên [13, 14] Vật liệu vô hấp thu dầu gồm loại khoáng sét (vermiculite, diatomite, perlite, cát thạch anh, thạch anh tinh thể, silica, natri bicarbonat), amberlite, khoáng sét hữu cơ, zeolite, sợi thủy tinh, than chì than hoạt tính, tro bay… Các vật liệu vơ nói chung có ưu điểm sẵn có giá thành rẻ Tuy nhiên nhược điểm khó khắc phục chúng có tỷ trọng cao, khả tái sử dụng thấp, hút nước, tính dầu vật liệu có khả hấp thu dầu thấp, khó khăn vận chuyển sử dụng phần lớn vật liệu hấp thu dầu vô dạng bột hạt [15, 16] Các vật liệu có nguồn gốc từ phế thải nơng nghiệp loại sợi (bông vải, gạo), loại cỏ bông, rêu than bùn, rơm rạ, lõi ngơ, bã mía, mùn cưa, sợi gỗ, số loại vỏ nhiều loại vật liệu sở cellulose biến tính khác có tính chất xốp, nhẹ có khả hút dầu Một số loại cỏ sữa, gạo hấp thu khoảng 8-20 lần đầu so với khối lượng chúng, loại vỏ cây, cỏ có tính chất xốp bã mía, vỏ trấu, hút lượng dầu gấp vài lần khối lượng [17-19] © 2021 Trường Đại học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh 86 BIẾN TÍNH PHẾ THẢI NÔNG NGHIỆP – THÂN CÂY CHUỐI ỨNG DỤNG XỬ LÝ NƯỚC NHIỄM DẦU Nói chung, loại vật liệu hấp thu dầu hữu có nguồn gốc thiên nhiên kế có ưu điểm giá thành rẻ, có nguồn gốc thiên nhiên khả tái sinh vô tận, thân thiện với mơi trường có khả tự phân hủy sinh học Phần lớn loại vật liệu hấp thu dầu hữu có nguồn gốc thiên nhiên có cấu trúc sợi nên dễ dàng gia cơng thành sợi từ tạo thành sản phẩm khác loại phao, gối, chăn, khăn, tiện dụng cho công tác ứng cứu cố tràn dầu Bên cạnh chúng có số nhược điểm khả có tỷ trọng cao, tính nước (hidrophilicity) cao, tính dầu (hidrophobicity) thấp cần phải biến tính để cải thiện khả hấp thu dầu [20] Chuối tên gọi loài thuộc chi Musa Chuối loại trái ăn phố biến giới Cây chuối có thân giả lên tới 6–7,6 m, mọc lên từ thân ngầm Lá chuối theo hình xoắn kéo dài 2,7 m rộng 60 cm Cây chuối loài thân thảo lớn Chúng có nguồn gốc từ vùng nhiệt đới Đơng Nam Á Úc Ngày nay, chuối trồng nhiều quốc gia, đặc biệt nhiều vùng nhiệt đới Cây chuối có những thành phần hữu sau: cellulose, hemicellulose, pectin, ligin, chất béo Thành phần hố học thân chuối cellulose, chúng cịn gọi sợi cellulose [21] Việc biến tính cellulose thơng qua nhóm hydroxyl giúp vật liệu mở rộng nhiều ứng dụng, giúp tăng cường khả xử lý ô nhiễm nước ngành dầu khí Nói chung, phương pháp biến tính bề mặt cellulose chia thành hai loại chính: 1) biến đổi hóa học, sử dụng phản ứng oxy hóa khử, ghép polymer 2) hấp phụ vật lý, hấp phụ chất hoạt động bề mặt nhờ vào tương tác tĩnh điện bề mặt vật liệu Trong đó, phương pháp biến tính cellulose thơng qua biến đổi hóa học thường mang lại hiệu vượt trội cho vật liệu khả xử lý dầu [22] Tại Việt Nam, diện tích trồng chuối lớn, thân chuối sau thu hoạch chủ yếu chặt gốc làm phân bón cho đất, chưa có nhiều nghiên cứu tận dụng thân chuối phế thải để tạo sản phẩm cơng nghiệp Trong cơng trình này, nhóm tác giả mong muốn tận dụng nguồn phụ phẩm nông nghiệp sau thu hoạch buồng chuối nguồn vật liệu biến tính để tạo những sản phẩm thực tiễn góp phẩn xử lý nhiễm dầu tràn biển Phương pháp xử lý nước nhiễm dầu vật liệu biến tính từ thân chuối kết hợp phương pháp học hóa học (phương pháp hấp phụ) Bởi vật liệu chứa đầy những phao kết hợp với phương pháp hấp phụ hóa học để gỡ bỏ dầu khỏi mặt nước, đồng thời dễ dàng thu gom vật liệu tránh tượng vật liệu xử lý dầu bị chìm làm tác hại đến mơi trường biển NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Nguyên liệu Axit stearic (95%), axit sulfuric (98%), ethanol (99%), natri clorua (99%), petrolium ether (98%), toluen (98%) dầu thơ có xuất xứ từ cơng ty hóa chất Việt Nam Thân chuối già sau thu hoạch buồng lấy khu vực Biên Hòa, tỉnh Đồng Nai Sau lấy về, thân chuối rửa nước vòi, cắt nhỏ, rửa lại nước vòi tráng lại nước cất để nước 2.2 Qui trình tổng hợp vật liệu chưa biến tính Vật liệu chưa biến tính được tổng hợp theo qui trình Hình Vật liệu thơ ngâm 2h ethanol để loại bỏ lượng sáp thực vật kim loại nặng sẵn có thân chuối Quá trình ngâm kết hợp với khuấy để trình loại bỏ diễn thuận lợi Sau 2h, thay lượng ethanol tiếp tục ngâm khuấy 20-24h để loại bỏ hoàn toàn tạp chất kể Kết thúc trình ngâm, tiến hành lọc vật liệu sấy 80 oC 2h để vật liệu khơ hồn tồn Vật liệu nghiền nhỏ lưu giữ để tiến hành trình biến tính khảo sát điểu kiện Vật liệu thô Vật liệu sau xử lý Rửa Nghiền Để Sấy 80oC 2h Ngâm C2H5OH 2h Để máy lắc 2h Lọc Thay C2H5OH từ 20 – 24h Hình 1: Sơ đồ khối tổng hợp vật liệu chưa biến tính 2.3 Qui trình biến tính vật liệu khảo sát điều kiện ảnh hưởng đến biến tính Qui trình biến tính vật liệu khảo sát điều kiện ảnh hưởng đến biến tính mơ tả Hình Sau xử lý vật liệu thơ, tiến hành biến tính vật liệu 2h axit stearic dung môi C2H5OH với © 2021 Trường Đại học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh BIẾN TÍNH PHẾ THẢI NƠNG NGHIỆP – THÂN CÂY CHUỐI ỨNG DỤNG XỬ LÝ NƯỚC NHIỄM DẦU 87 0,15 mL H2SO4 đậm đặc theo tỷ lệ axit/Vật liệu lần lưọt (0:1), (0,2:1), (0,4:1), (0,6:1), (0,8:1), (1:1), (1,2:1) Vật liệu lọc, kiểm tra pH rửa lại nhiều lần ethanol pH trung tính Sau đó, vật liệu biến tính sấy khơ sử dụng cho thí nghiệm hấp phụ Sau kết thúc trình xác định độ hấp phụ vật liệu biến tính theo tỷ lệ khối lượng axit stearic/vật liệu, chọn tỷ lệ tối ưu dựa độ hấp phụ cao khảo sát để tiếp tục khảo sát vật liệu theo thời gian biến tính (30-150 phút) Kích thước vật liệu (1-9 mm) nhiệt độ hấp phụ (30-70 oC) nghiên cứu cách tương tự Khảo sát tỷ lệ Ethanol Axit Stearic/Vật liệu H2SO4 98% Vật liệu thô sau xử lý Khảo sát thời gian biến tính Biến tính Để máy khuấy 2h Lọc C2H5OH Kiểm tra pH Kết luận Sấy Xác định độ hấp phụ tối đa theo nồng độ Xác định độ hấp phụ Khảo sát nồng độ Vật liệu biến tính tối ưu theo thời gian tỷ lệ Axit Stearic/ Vật liệu Xác định độ hấp phụ tối đa theo nhiệt độ Xác định độ hấp phụ Xác định độ hấp phụ tối đa theo kích thước Khảo sát nhiệt độ Khảo sát kích thước Hình 2: Qui trình biến tính vật liệu 2.4 Các phương pháp phân tích hóa lý đại Giản đồ phân tích nhiệt TGA vật liệu đo máy Labsys Evo S60/58988 Viện Khoa học Vật liệu Ứng dụng TP.HCM Các mẫu tiến hành phân tích mơi trường khí trơ từ nhiệt độ phịng đến 700 °C với tốc độ gia nhiệt 10 oC/phút Các mẫu lựa chọn để phân tích mẫu thu © 2021 Trường Đại học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh 88 BIẾN TÍNH PHẾ THẢI NÔNG NGHIỆP – THÂN CÂY CHUỐI ỨNG DỤNG XỬ LÝ NƯỚC NHIỄM DẦU điều kiện tối ưu Phổ hồng ngoại mẫu vật liệu thực quang phổ kế hồng ngoại biến đổi Fourie Tensor 27 Bruker (Đức) Khoa Cơng nghệ Hóa học, trường Đại học Cơng nghiệp TP HCM Diện tích bề mặt riêng vật liệu thực máy Quantachrome NovaWin Viện Cơng nghệ Hóa học, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Cấu trúc bề mặt vật liệu phân tích ảnh chụp kính hiển vi điện tử quét SEM thực máy JEOL Viện Cơng nghệ Hóa học, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Giả lập môi trường nước biển dung dịch NaCl 3,5% Đong 50 mL dung dịch NaCl 3,5% cho vào cốc thủy tinh 250 mL Sau cân xác 4g dầu thô cho vào cốc thủy tinh, thả cá từ vào đặt lên máy khuấy phút Tiếp tục cân xác 0,100g vật liệu, rải bề mặt hệ dầu-nước vừa tạo Kết thúc trình hấp phụ sau 15 phút, vớt vật liệu thông qua vải lọc Để vật liệu nước phút đem cân ghi lại số liệu Trong giai đoạn ép, thêm 10 – 20 mL dung dịch ete dầu hỏa vào ống nghiệm chứa mẫu cân, lắc ép lấy phần dầu sợi, chất lỏng cho ống ly tâm, đặt bể nước 60°C 20-30 phút để loại bỏ hệ nhũ Lượng dầu bị hấp phụ chất hấp phụ định công thức tiêu chuẩn ASTM D4007 [23] sau: Soil = ST – SA - Sw Trong đó: Soil: Khối lượng dầu hấp phụ được, g; ST: Tổng trọng lượng dầu, nước chất hấp phụ, g; SA: Khối lượng chất hấp phụ ban đầu, g; SW: Khối lượng nước bị hấp phụ, phương pháp xác định hàm lượng nước bị hấp phụ ASTM D 4007-11 Độ hấp phụ dầu tính theo công thức sau: 𝑆 Độ hấp phụ dầu = 𝑜𝑖𝑙 𝑚 Trong đó: m khối lượng vật liệu, g KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Đặc trưng hóa lý vật liệu Hình thái bề mặt vật liệu: So sánh kết chụp SEM hai mẫu vật liệu thơ vật liệu biến tính ta thấy khác rõ rệt giữa bề mặt hai loại vật liệu (Hình 3) Ở vật liệu chưa biến tính, bề mặt có lượng lỗ xốp nhiều, nhiên lỗ xốp có kích thước khơng đồng đều, lồi lõm phân bố lưa thưa Vật liệu sau biến tính có độ xốp cải thiện hẳn Các lỗ xốp phân bố đồng đều, lượng trống lớn, kích thước độ sâu lỗ xốp tăng lên so với vất liệu thô Điều giúp tăng diện tích bề mặt tiếp xúc vật liệu với dầu làm tăng khả hấp phụ làm tăng khả ưa dầu, kỵ nước vật liệu biến tính Hình 3: Ảnh SEM vật liệu trước biến tính (a) sau biến tính (b) Phổ phân tích nhiệt trọng lượng TGA: Từ giản đồ phân tích nhiệt TGA (hình 4), nhận xét trình phân hủy vật liệu sau: Khi tăng nhiệt độ từ 30 °C đến 150 °C, giản đồ TGA có giảm nhẹ khối lượng, khối lượng mẫu giảm 20% vật liệu thô giảm 16,7% vật liệu biến tính Giai đoạn tương ứng với q trình nước vật liệu bắt đầu trình phân hủy cellulose Quá trình tăng nhiệt độ từ 150 oC đến 320oC quan sát giảm mạnh khối lượng Khối lượng mẫu giảm đến 72,72% vật liệu thơ giảm © 2021 Trường Đại học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh BIẾN TÍNH PHẾ THẢI NÔNG NGHIỆP – THÂN CÂY CHUỐI ỨNG DỤNG XỬ LÝ NƯỚC NHIỄM DẦU 89 58,82% vật liệu biến tính liên quan phân hủy phân tử cellulose có vật liệu q trình oxy hóa diễn (quá trình cháy) Tại vùng nhiệt độ từ 320 oC, giảm khối lượng quan sát phân hủy phân tử hydrocacbon cao phân tử, tương ứng với khối lượng bị 6% Trên 500 o C, mẫu vật liệu biến tính bị phân hủy hồn tồn Phổ TGA cho thấy khác tính chất nhiệt giữa vật liệu thơ vật liệu biến tính Khối lượng bị vật liệu biến tính khác hẳn so với vật liệu thô phần chứng tỏ hiệu q trình biến tính vật liệu Vật liệu chưa biến tính Vật liệu biến tính 0.5 0.0 0.0 -0.5 -0.5 -1.0 -1.5 -1.5 -2.0 -2.0 -2.5 -2.5 -3.0 -3.0 -3.5 -3.5 100 200 300 400 dm, mg dm, mg -1.0 500 Nhiệt độ, C o Hình 4: Phổ TGA vật liệu thô vật liệu biến tính Phổ hồng ngoại FT IR: Vật liệu chưa biến tính Vật liệu biến tính 1.05 1.00 0.95 0.90 0.85 2361 0.80 2854 1725 2923 0.75 762 1319 650 1156 0.70 0.65 4000 1630 3428 3500 517 3000 2500 2000 1500 wavenumber, cm 1000 500 -1 Hình 5: Phổ FTIR vật liệu thô vật liệu biến tính So sánh hai phổ FTIR mẫu vật liệu chưa biến tính mẫu vật liệu biến tính axit stearic cho thấy có những đỉnh xuất số đỉnh trùng (Hình 5) Tại peak có số sóng 3428 cm-1 © 2021 Trường Đại học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh 90 BIẾN TÍNH PHẾ THẢI NƠNG NGHIỆP – THÂN CÂY CHUỐI ỨNG DỤNG XỬ LÝ NƯỚC NHIỄM DẦU rung động kéo dài nhóm hydroxyl cellulose, hemicellulose lignin [24], những thành phần có vật liệu thơ lẫn vật lệu biến tính Tại peak có số sóng 2923 cm-1 tương ứng với dao động C-H bất đối xứng [25] Tại peak có số sóng 1156 cm-1 1319 cm-1 dao động hóa trị liên kết C-OH kéo dài nhóm chức alcol Sau so sánh phổ FTIR hai vật liệu trước sau biến tính, ta thấy phổ vật liệu biến tính có xuất hai peak có số sóng 2854 cm-1 dao động đối xứng CH kéo dài nhóm metylen CH2- 1725 cm-1 dao động nhóm -COOH kéo dài [20], bão hòa đặc trưng axit béo Sự diện nhóm chức -COOH vật liệu sau biến tính chứng minh phản ứng giữa thành phần hemicellulose vật liệu axit stearic diễn ra, q trình biến tính thực thành cơng Phản ứng ester hóa giữa axit stearic hemicellulose với xúc tác H2SO4 [26] mơ tả theo phương trình hóa học trình bày Hình Hình 6: Phản ứng ester hóa phân tử hemicellulose Xác định diện tích bề mặt BET: Vật liệu biến tính Vật liệu thơ 400 600 550 500 450 300 400 350 250 1/[w(Po/P-1)] 1/[w(Po/P-1)] 350 300 250 200 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 200 0.40 P/Po Hình 7: Đường hấp phụ đẳng nhiệt tuyến tính BET hai mẫu vật liệu Từ đường hấp phụ đẳng nhiệt tuyến tính BET trình bày Hình 7, xác định diện tích bề mặt riêng vật liệu thơ vật liệu biến tính tương ứng 2,72 m2/g 4,41 m2/g Diện tích bề mặt vật liệu biến tính cải thiện so với vật liệu thơ, chứng tỏ lỗ xốp bao phủ phần gốc ưa dầu từ việc biến tính axit stearic, tạo điều kiện để phân tử dầu tiếp xúc nhiều với © 2021 Trường Đại học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh BIẾN TÍNH PHẾ THẢI NƠNG NGHIỆP – THÂN CÂY CHUỐI ỨNG DỤNG XỬ LÝ NƯỚC NHIỄM DẦU 91 lỗ xốp bề mặt vật liệu, đồng thời giảm khả ưa nước vốn có ban đầu vật liệu, dẫn đến tăng khả hấp phụ dầu vật liệu 3.2 Khảo sát khả xử lý nước nhiễm dầu vật liệu Khảo sát yếu tố biến tính vật liệu theo tỷ lệ khối lượng axit stearic/vật liệu: Bảng Khảo sát ảnh hưởng tỷ lệ phối liệu đến khả hấp phụ dầu Tỷ lệ Axit stearic/Vật liệu (g/g) 0,0:1 0,2:1 0,4:1 0,6:1 0,8:1 1,0:1 1,2:1 Soil (g) 3,74 3,86 4,24 4,38 4,46 4,61 3,82 ST (g) 4,84 4,16 5,16 4,72 5,28 5,48 4,25 SW (g) 0,90 0,10 0,72 0,14 0,62 0,67 0,01 SA (g) 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 Độ hấp phụ (g/g) 18,70 19,30 21,20 21,90 22,30 23,05 19,10 Độ hấp phụ 25 Độ hấp phụ (g/g) 20 15 10 0:1 0.2:1 0.4:1 0.6:1 0.8:1 1:1 1.2:1 Tỉ lệ axit stearic/vật liệu (g/g) Hình 8: Đồ thị ảnh hưởng tỷ lệ phối liêu đến khả hấp phụ dầu vật liệu Tỷ lệ axit stearic/vật liệu tăng dần tỷ lệ 1:1 độ hấp phụ dầu vật liệu tăng dần từ 18,70 – 23,05 g/g vật liệu (Bảng Hình 8) Theo nguyên lý Le Chatelier, tỉ lệ vật liệu cao lượng axit tạo động lực cho trình phản ứng dịch chuyển theo chiều thuận tạo ester, kết dẫn điến việc tăng lượng gốc ưa dầu vật liệu từ khả hấp phụ tăng theo Nhưng vượt qua tỷ lệ 1:1 độ hấp phụ giảm rõ rệt cịn 19,10 g/g Điều giải thích rằng, lượng axit stearic tăng, trình phản ứng cho sản phẩm phụ nhiều nước Vì thế, phản ứng thủy phân diễn làm phá hủy gốc ưa dầu gắn vào vật liệu, làm giảm khả hấp phụ vật liệu Khảo sát yếu tố biến tính vật liệu theo thời gian: Bảng Khảo sát ảnh hưởng thời gian biến tính đến độ hấp phụ vật liệu Thời gian (phút) 30 Soil (g) 3,74 4,17 ST (g) 4,84 5,37 SW (g) 0,90 1,00 SA (g) 0,2 0,2 Độ hấp phụ (g/g) 18,70 20,85 © 2021 Trường Đại học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh 92 BIẾN TÍNH PHẾ THẢI NÔNG NGHIỆP – THÂN CÂY CHUỐI ỨNG DỤNG XỬ LÝ NƯỚC NHIỄM DẦU 60 90 120 150 4,20 4,32 4,51 3,51 5,56 5,47 5,45 4,18 1,16 0,95 0,75 0,47 0,2 0,2 0,2 0,2 21,00 21,60 22,55 17,55 25 Độ hấp phụ (g/g) 20 15 10 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Thời gian biến tính (phút) Hình 9: Đồ thị ảnh hưởng thời gian biến tính đến độ hấp phụ vật liệu Khi thời gian biến tính tăng lên, khả hấp phụ vật liệu tăng từ 18,70 lên 22.55 g/g đạt cực đại sau khoảng thời gian 120 phút cho q trình biến tính (Bảng Hình 9) Sau khả hấp phụ giảm cịn 17,55 g/g tiếp tục tăng thời gian biến tính lên 150 phút Trong khoảng thời gian từ đến 120 phút, thời gian biến tính kéo dài giúp cho q trình ester hóa diễn lâu hơn, làm cho nhóm ưa dầu –COC17H35 gắn vào vật liệu nhiều hơn, giúp tăng khả hấp phụ dầu vật liệu Vì sử dụng xúc tác H2SO4 đặc, nên q trình thủy phân khơng mong muốn diễn song song với q trình ester hóa, thời gian kéo dài trình thủy phân phá vỡ cấu trúc Vì thế, khảo sát thời gian 150 phút ghi nhận khả hấp phụ dầu vật liệu giảm rõ rệt Khảo sát khả xử lý nước nhiễm dầu thay đổi kích thước vật liệu: Bảng Khảo sát độ hấp phụ vật liệu theo kích thước Vật liệu Vật liệu thơ Vật liệu biến tính Kích thước (mm) 9 SA (g) 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 ST (g) 4,71 4,33 3,27 3,18 2,57 2,30 2,32 2,28 5,31 4,73 3,86 3,13 2,97 2,92 2,30 2,20 © 2021 Trường Đại học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh SW (g) 0,78 0,75 0,81 0,90 1,00 0,85 1,05 1,10 0,60 0,67 0,61 0,73 0,74 0,79 0,81 0,80 Soil (g) 3,73 3,38 2,26 2,08 1,37 1,25 1,07 0,98 4,51 3,86 3,05 2,20 2,03 1,93 1,29 1,20 Độ hấp phụ (g/g) 18,67 16,89 11,32 10,40 6,85 6,25 5,35 4,90 22,55 19,30 15,25 13,60 10,15 9,65 6,45 6,00 BIẾN TÍNH PHẾ THẢI NƠNG NGHIỆP – THÂN CÂY CHUỐI ỨNG DỤNG XỬ LÝ NƯỚC NHIỄM DẦU 93 Vật liệu thô Vật liệu biến tính 25 Độ hấp phụ (g/g) 20 15 10 5 Kích thước vật liệu (mm) Hình 10: Đồ thị khảo sát độ hấp phụ theo kích thước vật liệu Quá trình thực nghiêm cho thấy độ hấp phụ dầu vật liệu phụ thuộc lớn vào kích thước hạt vật liệu (Bảng Hình 10) Ở kích thước mm, hai loại vật liệu có độ hấp phụ cao 22,55 g/g vật liệu biến tính 18,67 g/g vật liệu thô ban đầu Nguyên nhân tăng diện tích bề mặt riêng kích thước hạt giảm Đồng thời, q trình biến tính tối ưu hóa, vật liệu biến tính có bề mặt xốp nhiều so với vật liệu thơ ban đầu Bên cạnh đó, sáp thực vật bề mặt thô rửa trôi triệt để thơng qua q trình xử lý làm sạch, giúp nhóm chức ưa dầu, kỵ nước gắn tốt lên vật liệu làm tăng khả hấp phụ vật liệu Từ đây, vật liệu có kích thước l mm chọn để tiếp tục tiến hành khảo sát yếu tố ảnh hưởng nhiệt độ nồng đồ dầu Khảo sát khả xử lý nước nhiễm dầu thay đổi nhiệt độ: Bảng Khảo sát khả hấp phụ dầu theo nhiệt độ Vật liệu chưa biến tính sau biến tính Nhiệt độ (oC) 30 40 50 60 70 30 40 50 60 70 SA g) 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 ST (g) 4,84 3,41 3,66 3,54 3,45 5,48 2,46 2,02 1,65 1,26 SW (g) 0,80 2,50 2,80 3,10 3,10 0,60 0,70 0,72 0,68 0,76 Soil (g) 3,74 0,71 0,66 0,24 0,15 4,61 1,56 1,10 0,77 0,30 Độ hấp phụ (g/g) 18,67 3,55 3,30 1,20 0,75 22,55 19,30 15,25 13,60 10,15 © 2021 Trường Đại học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh 94 BIẾN TÍNH PHẾ THẢI NƠNG NGHIỆP – THÂN CÂY CHUỐI ỨNG DỤNG XỬ LÝ NƯỚC NHIỄM DẦU Vật liệu thơ Vật liệu biến tính 25 Độ hấp phụ (g/g) 20 15 10 30 40 50 60 70 Nhiệt độ ( C) o Hình 11: Đồ thị khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ đến khả hấp phụ vật liệu Khả hấp phụ vật liệu đạt cao nhiệt độ phòng (30 oC) ứng với độ hấp phụ 23,05 g/g vật liệu biến tính 18,67 g/g vật liệu thô Độ hấp phụ giảm cách rõ rệt tăng nhiệt độ từ 40 lên 70oC (Bảng Hình 11) Tại 70 oC, độ hấp phụ vật liệu thô giảm 24,9 lần, vật liệu biến tính giảm 2,22 lần Kết nghiên cứu cho thấy vật liệu biến tính có khả hấp phụ nhiệt độ cao vượt trội so với vật liệu thô điều kiện khảo sát Điều giải thích rằng, gốc hydrocacbon axit stearic có vật liệu biến tính góp phần làm tăng cường khả khả liên kết với phân tử dầu phân cực Khảo sát khả hấp phụ dầu thay đổi nồng độ dầu: Bảng Khảo sát khả hấp phụ dầu thay đổi nồng độ Vật liệu Khối lượng dầu (g) Nồng độ dầu (g/ghh) SA (g) ST (g) SW (g) Soil (g) Độ hấp phụ (g/g) chưa biến tính 0,020 0,040 0,2 0,2 3,97 4,64 1,10 0,88 2,67 3,56 13,34 16,00 0,067 0,2 5,15 0,94 4,01 18,34 0,075 0,2 4,74 0,80 4,16 18,70 0,090 0,2 4,36 0,85 4,24 18,73 0,020 0,040 0,2 0,2 3,20 3,52 0,60 0,70 2,20 2,58 11,00 12,90 0,067 0,2 5,14 0,72 4,11 20,55 0,075 0,2 5,48 0,68 4,61 23,05 0,090 0,2 5,24 0,71 4,67 23,25 sau biến tính © 2021 Trường Đại học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh BIẾN TÍNH PHẾ THẢI NÔNG NGHIỆP – THÂN CÂY CHUỐI ỨNG DỤNG XỬ LÝ NƯỚC NHIỄM DẦU 95 Vật liệu thô Vật liệu biến tính 24 Độ hấp phụ (g/g) 22 20 18 16 14 12 10 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.10 Nồng độ dầu (g/g) Hình 12: Đồ thị khảo sát nồng độ dầu ảnh hưởng đến khả hấp phụ vật liệu Từ kết Bảng Hình 12, nhận thấy nồng độ hấp phụ cao vật liệu biến tính 23,25g/g nồng độ dầu 0,09 g/ghh) ứng với khối lượng dầu thô ban đầu 5g Tuy nhiên, từ nồng độ dầu 0,075g/ghh, độ hấp phụ có tăng, tăng không thực đáng kể, cho thấy vật liệu hấp phụ bão hòa nồng độ Đối với vật liệu thô độ hấp phụ cao đạt 18,73 g/g nồng độ dầu 0,09 g/ghh ứng với khối lượng dầu thô 5g, thiết lập cân hấp phụ nồng độ dầu 0,075 g/ghh ứng với khối lượng dầu thô ban đầu 4g Có thể thấy rằng, vật liệu thơ có khả hấp phụ dầu thua đáng kể so với vật liệu sau biến tính KẾT LUẬN Vật liệu hấp phụ dầu từ phế thải nông nghiệp – thân chuối sau thu hoạch buồng biến tính thành cơng, sử dụng axit stearic xúc tác H2SO4 Kết phân tích từ phương pháp hóa lý đại đánh giá hình thái cấu trúc vật liệu biến tính, cho thấy vật liệu có lỗ xốp phân bố đồng đều, lượng trống lớn, kích thước độ sâu lỗ xốp tăng lên so với vất liệu thơ ban đầu Kết tối ưu q trình hấp phụ diễn điều kiện hệ giả lập dầu tràn biển với nồng độ NaCl nước 3,5%, tỷ lệ dầu nước 5g dầu 50 mL nước biển, thời gian hấp phụ 15 phút Khả hấp phụ dầu phụ thuộc vào nhiều yếu tố, tỷ lệ phối trộn giữa vật liệu axid stearic, thời gian biến tính, kích thước vật liệu, nhiệt độ môi trường nồng độ dầu Để hồn thiện nghiên cứu ứng dụng nguồn phế thải nông nghiệp thân chuôi, cần nghiên cứu phương pháp biến tính vật liệu theo nhiều cách khác phản ứng acethyl hóa cenllulose, phản ứng trùng hợp ghép lên cenllulose xây dựng quy trình thu hồi vật liệu sau lần khảo sát Nhóm tác giả hi vọng kết cơng trình góp phần mở rộng hướng tận dụng nguồn phế thải nông nghiệp để tạo vật liệu cho mục đích kiểm sốt, ứng phó kịp thời với cố dầu tràn, khắc phục dầu tình trạng nhiễm mơi trường khai thác, vận chuyển chế biến dầu TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] S Sabir, Approach of cost-effective adsorbents for oil removal from oily water, Critical Reviews in Environmental Science and Technology, vol 45, no 17, pp 1916 - 1945, 2015 N X P Võ, N T Lương, P N Lê, H L Nguyễn, Nghiên cứu tổng hợp đánh giá vật liệu siêu xốp ứng dụng xử lý dầu tràn dựa cellulose tự nhiên trích ly từ giấy in thải, Tạp chí dầu khí, số 3, tr 52-61, 2019 S E Chang, J Stone, K Demes and M Piscitelli, Consequences of oil spills: a review and framework for informing planning, Ecology and Society, vol 19, no 2, pp 1-26, 2014 © 2021 Trường Đại học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh 96 BIẾN TÍNH PHẾ THẢI NÔNG NGHIỆP – THÂN CÂY CHUỐI ỨNG DỤNG XỬ LÝ NƯỚC NHIỄM DẦU [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] J Beyer, H C Trannum, T Bakke, P V Hodson and T K Collier, Environmental effects of the Deepwater Horizon oil spill: A review, Marine Pollution Bulletin, Vol 110, Issue 1, pp 28-51, 2016 A H Walker, Chapter - Oil Spills and Risk Perceptions, Editor(s): Mervin Fingas, Oil Spill Science and Technology (Second Edition), Gulf Professional Publishing, pp 1-70, 2017 N Bhardwaj and A N Bhaskarwar, A review on sorbent devices for oil-spill control, Environmental Pollution, vol 243, pp 1758-1771, 2018 B Doshi, M Sillanpää, S Kalliola, A review of bio-based materials for oil spill treatment, Water Research, vol 135, pp 262-277, 2018 D S Cardona, K B Debs, S G Lemos, G Vitale, N N Nassar, E N V M Carrilho, D Semensatto and G Labuto, A comparison study of cleanup techniques for oil spill treatment using magnetic nanomaterials, Journal of Environmental Management, vol 242, pp 362-371, 2019 M Fingas, Chapter 12 - Physical Spill Countermeasures, Editor(s): Mervin Fingas, Oil Spill Science and Technology, Gulf Professional Publishing, pp 303-337, 2011 J Fink, Chapter 19 - Oil spill treating agents, Editor(s): Johannes Fink, Petroleum Engineer's Guide to Oil Field Chemicals and Fluids (Second Edition), Gulf Professional Publishing, pp 695-715, 2015 P E Ndimele, A O Saba, D O Ojo, C C Ndimele, M A Anetekhai and E S Erondu, Chapter 24 Remediation of Crude Oil Spillage, Editor(s): Prince E Ndimele, The Political Ecology of Oil and Gas Activities in the Nigerian Aquatic Ecosystem, Academic Press, pp 369-384, 2018 L Yu, M Han, F He, A review of treating oily wastewater, Arabian Journal of Chemistry, vol 10, Supplement 2, pp S1913-S1922, 2017 I C Eromosele and R B Ahmed, Graft copolymerization of methacrylonitrile on kenaf fibers by cerric iontoluene redox pair, J Appl Polym Sci., vol 59, pp 1987-1993, 1996 G F Fanta, R C Burr and W M Doane, Oil absorbency of graft copolymers from softwood pulp, Polymer science and technology, vol 33, pp 107-114, 1986 B Simonovic, D Arandelovic, M Jovanovic, B Kovacevic, L Pezo and A Jovanovici, Removal of mineral oil and wastewater pollutants using hard coal, Chem Ind Chem Eng Quart., vol 15, no 2, pp 57-62, 2009 S A Sayed and A M Zayed, Investigation of the effectiveness of some adsorbent materials in oil spill cleanups, Desalination, vol 194, pp 90-100, 2006 T Dong, X Guangbiao and F.Wang, Oil spill cleanup by structured natural sorbents made from cattail fibers, Ind Crops Prod., vol 76, pp 25-33, 2015 W Chai, X Liu, J Zou, X Zhang, B Li, T Yin, Pomelo peel modified with acetic anhydride and styrene as new sorbents for removal of oil pollution, Carbohyd Polym., vol 132, pp 245-251, 2015 M Hussein, A A Amer, H F Zahran, S M Ali, M Elgohary and M Nasr, Agricultural waste as a biosorbent for oil spills, Int J Develop., vol 2, no 1, pp 127-135, 2013 J Zou, X Liu, W Chai, X Zhang, B Li, Y Wang and Y Ma, Sorption of Oil from Simulated Seawater by Fatty Acid Modified Pomelo Peel, Desalination and Water Treatment, vol 56, pp 939-946, 2015 T Sango, A M C Yona, L Duchatel, A Marin, M K Ndikontar, N Joly, J.-M Lefebvre, Step–wise multi– scale deconstruction of banana pseudo–stem (Musa acuminata) biomass and morpho–mechanical characterization of extracted long fibres for sustainable applications, Industrial Crops and Products, vol 122, pp 657-668, 2018 B Peng, Z Yao, X Wang, M.Crombeen, D G Sweeney, K C Tam, Cellulose-based materials in wastewater treatment of petroleum industry, Green Energy & Environment, Vol 5, Issue 1, pp 37-49, 2020, American Society for Testing and Materials (ASTM), Test number D 4007 – 11, Standard Test Method for Water in Crude Oil by Distillation, ASTM E Robles, I Urruzola, J Labidi and L Serrano, Surface-modified nano-cellulose as reinforcement in poly (lactic acid) to conform new composites, Industrial Crops and Products., vol 71, pp 44-53, 2015 W Qing, Y Wang, Y Wang, D Zhao, X Liu and J Zhua, The modified nanocrystalline cellulose for hydrophobic drug delivery, Applied Surface Science, vol 366, pp 404-409, 2016 S T Hồ, Cơ sở hoá học gỗ xenluloza, Tập I-II, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, p 284, 2003 Ngày nhận bài: 17/04/2020 Ngày chấp nhận đăng:19/08/2020 © 2021 Trường Đại học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh ... 23,25 sau biến tính © 2021 Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh BIẾN TÍNH PHẾ THẢI NƠNG NGHIỆP – THÂN CÂY CHUỐI ỨNG DỤNG XỬ LÝ NƯỚC NHIỄM DẦU 95 Vật liệu thơ Vật liệu biến tính 24 Độ... giảm © 2021 Trường Đại học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh BIẾN TÍNH PHẾ THẢI NƠNG NGHIỆP – THÂN CÂY CHUỐI ỨNG DỤNG XỬ LÝ NƯỚC NHIỄM DẦU 89 58,82% vật liệu biến tính liên quan phân hủy phân tử... © 2021 Trường Đại học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh 94 BIẾN TÍNH PHẾ THẢI NƠNG NGHIỆP – THÂN CÂY CHUỐI ỨNG DỤNG XỬ LÝ NƯỚC NHIỄM DẦU Vật liệu thơ Vật liệu biến tính 25 Độ hấp phụ (g/g) 20