Nghiên cứu chế tạo nano silica từ tro trấu bằng phương pháp Sol-Gel .pdf

Bộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NGUYỄN TẤT THÀNH ——oOo BÁO CÁO TỐNG KÉT ĐỀ TÀI CHƯƠNG TRÌNH SINH VIÊN NCKH NĂM 2017 TÊN ĐÈ TÀI: NGHIÊN CỨU CHÉ TẠO NANO SILICA TÙ TRO TRẤU BẲNG PHƯƠNG PHÁP SOL-GEL Mã số đề tài : 2017.02.36 Chủ nhiệm đề tài : Huỳnh Tiến Hùng MSSV : 1411532806 Giảng viên hướng dẫn : ThS Trần Lệ Trúc Hà Khoa : Nông Nghiệp Công Nghệ Cao Và Công Nghệ Sinh Học Các thành viên tham gia: STT Họ tên MSSV Lớp Nguyễn Ngọc Uyên 1600000732 16DSH1A Nguyễn Thị Quỳnh Huơng 1511537447 15DSH1B Nguyễn Tuấn Kiệt 1511541011 15DSH1B Tp Hồ Chí Minh, thảng năm 2018 MỤC LỤC PHỤ LỤC 1: DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỪ VIẾT TẮT PHỤ LỤC 2: DANH MỤC CÁC BẢNG BIẾU, sơ Đồ, HÌNH ANH CHƯƠNG TỐNG QUAN 1.1 Tính cấp thiết 1.2 Khả ứng dụng thực tiễn CHƯƠNG NỘI DƯNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN cứu 10 2.1 Xử lý tro trấu 12 2.2 Chiết xuất silica dạng silicat natri 13 2.3 Khảo sát nồng độ CTAB ảnh hường đến trình hình thành nano SĨƠ2 phương pháp sol gel 14 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ SẢN PHÀM ĐẠT ĐƯỢC 15 3.1 Xử lý tro trấu 15 3.2 Chiết xuất Silica dạng Silicat Natri 18 3.3 Ánh hưởng nong độ CTAB đen trình hình thành Nano SĨƠ2 phương pháp sol gel 19 CHƯƠNG KÉT LUẬN 20 ii PHỤ LỤC 1: DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỬ VIÉT TẤT CTAB Chất hoạt động bề mặt (-N-Cetyl-N,N,N-Trimethylammonium bromide) LDS Máy phân tích kích thước hạt (Laser Diffraction Particle Size) NT Nghiệm thức PHỤ LỤC 2: DANH MỤC CÁC BẢNG BIẺƯ, sơ ĐÒ, HÌNH ẢNH DANH SÁCH BẢNG Trang Bảng Bảng 2.1: Khảo sát ảnh hưởng nồng độ HC1 lên trình tinh tro trấu 11 Bảng 2.2: Khảo sát ảnh hưởng nhiệt thời gian lên trình nung trấu 12 Bảng 2.3: Khảo sát ảnh hưởng nồng độ NaOH thời gian lên trình tạo natri silica 12 Bảng 2.4: Khảo sát ảnh hưởng nồng độ CTAB lên kích thước hạt Nano SĨƠ2 13 DANH SÁCH HÌNH Trang Hình Bảng 3.1: Ảnh hưởng nồng độ thời gian ngâm HC1 lên khối lượng (g) tro trấu sau nung 700°C 16 Hình 3.2: Màu sắc cùa mầu tro trấu sau sử lý nung 17 Hình 3.3: Biểu đồ thể kết ảnh hưởng nồng độ NaOH thời gian lên trình tạo Na2SiO3 (g) 18 Hình 3.4: Kích thước hạt Nano SiƠ2 xử lý nồng độCTAB 1% 18 Hình 3.5: Kích thước hạt Nano SiƠ2 xử lý nồng độCTAB2% 19 Hình 3.6: Kích thước hạt Nano S1O2 xử lý nồng độCTAB3% 19 CHƯƠNG TỐNG QUAN 1.1 Tính cấp thiết Việt Nam quốc gia phát triển, với ngành nông nghiệp chiếm tỷ trọng cao cấu GDP Trong đó, lúa lương thực có giá trị kinh tế cao, năm 2015 tổng diện tích canh tác 7.835 ngàn ha, sản lượng đạt 45,2 triệu lúa, xuất khấu gạo 6.997 ngàn với kim ngạch 2.852 triệu USD Bên cạch đó, q trình sản xuất cịn phát sinh số phụ phẩm như: rơm, rạ sau thu hoạch, vỏ trấu, cám sau trình xay xát Mặc dù, nguồn phụ phẩm có tiềm tái sử dụng lớn hầu hết loại phụ phấm chưa sử dụng xử lý cách hiệu quả, gây ô nhiễm môi trường, lãng phí nguồn ngun vật liệu sằn có Trấu phụ phẩm trình sản xuất lúa tách trình xay xát Trong vỏ trấu chứa khoảng 65% chất hữu de bay cháy q trình đốt khoảng 35% cịn lại chuyển thành tro Chất hữu chủ yếu cellulose, lignin hemi - cellulose (90%) ngồi có thêm thành phần khác hợp chất nitơ vô Khối lượng trấu chiếm 20% thành phần hạt lúa, mồi năm có khoảng triệu trấu Tro trấu cịn có khả ứng dụng nhiều vào lĩnh vực xây dựng công nghiệp như: chế tạo gạch, bê tông siêu nhẹ, vật liệu bảo ôn (cách nhiệt chống cháy), hạn chế quy mô Phương pháp chủ yếu đốt vỏ trấu bón lại cho lúa ủ làm phân bón Các phương pháp khơng tận dụng tối đa lợi ích từ trấu mà cịn gây ô nghiễm môi trường tốn công xử lý Tro trấu nguyên liệu giàu S1O2 đạt khoảng 90 đến 98% khối lượng nên nguồn nguyên liệu lý tưởng đê tông họp vật liệu S1O2 Nano S1O2 biết đến từ lâu với nhiều ứng dụng thực tiên đời sống làm vật liệu xúc tác, vật liêu xây dựng nhẹ, xử lý hạt giống, diệt khẩn, y dược ứng dụng ngược lại nơng nghiệp với vai trị chất kích kháng, tăng cường khả chống chọi cùa trồng vi sinh vật có nhiều phương pháp đế tổng hợp Nano S1O2 như: Sol-Gel, kết tủa hóa học kỳ thuật thủy nhiệt Tuy nhiên, đa phần nghiên cứu thường sử dụng nguồn chất đầu Silic dạng tinh khiết, đắt tiền, gây ô nghiễm môi trường, tốn lượng dừng lại quy mơ thí nghiệm nên hạn che khả ứng dụng thực tế Nano S1O2 Do vậy, xu hướng tìm nguồn ngun liệu sằn có, rẻ tiền giàu S1O2 đế chế tạo loại vật liệu nano quan tâm thời gian gần 1.2 Khả ứng dụng thực tiễn Đưa quy trình chế tạo Nano S1O2 hồn thiện, ứng dụng để sản xuất Nano S1O2 quy mô lớn làm tiền đề cho nguyên cứu Mặc khác S1O2 đóng vai trị quan trọng thành phần thực phẩm, thuốc trừ sâu sản phàm chăm sóc cá nhân chất độn chất dẻo, cao su chất phủ; chất bán dần, đồ gốm Gần đây, S1O2 khám phá ứng dụng y sinh học ứng dụng giá trị silica cao tùy thuộc vào độ tinh thể cấu trúc SÌO2 tinh thể vật liệu phong phú lớp vỏ trái đất, ứng dụng hạn chế chủ yếu phản ứng thấp S1O2 vơ định hình với diện tích bề mặt lớn quan trọng nhiều ứng dụng hóa học quan trọng, bao gom chất hấp thụ, chất cách điện chất hồ trợ xúc tác S1O2 vơ định hình chất lượng cao chủ yếu sản xuất thơng qua q trình đa bước việc giảm nhiệt cacbon nguyên liệu tự nhiên silica, cát Quá trình liên quan đến nhiệt độ cao, áp suất cao, axit mạnh, lượng thói quen sinh thái Đẻ giảm thiểu vấn đề đáp ứng nhu cầu ngày cao S1O2 cho ứng dụng rộng rãi, cần phải tìm kiếm phương pháp kinh tế, thân thiện với môi trường bền vừng de chuẩn bị silic chất lượng cao [10] Trong lĩnh vực nông nghiệp: Wanjing phát triển Nano S1O2 số lĩnh vực ứng dụng Như nông nghiệp, việc áp dụng sản xuất nano silica với lượng lớn xử lý hạt giong nông nghiệp, rau (bắp cải, cà chua, dưa chuột), bơng, ngơ, lúa mì, tăng sản lượng, trưởng thành sớm Một ví dụ khác có thê áp dụng cho thuốc diệt cỏ Nano S1O2 thuốc trừ sâu, công thức thuốc trừ sâu dạng hạt, thêm lượng nhỏ nano silic có hiệu kiểm soát ngăn chặn chất độc hại sản xuất [5] Trong lĩnh vực sơn: Nano S1O2 với cấu trúc mạng ba chiều, có diện tích bề mặt lớn cụ the, cho thấy hoạt động tốt, có the hình thành cấu trúc mạng sơn khơ, khơng tăng độ bền sơn lớp cùng, mà cịn cải thiện sắc tố, trì màu sơn lâu dài không phai Trong sơn ngoại thất ngơi nhà, oxit Nano Silicon, có the cải thiện đáng kể kết thùng sơn, sơn thứ bậc, thixotropic, chống chảy xệ, hiệu suất sở tốt phong cách, đặc biệt hiệu suất chống ô nhiễm cải thiện nhiều với khả tự làm tuyệt vời độ bám dính [7], Phương pháp Sol - Gel kỳ thuật tống hợp hóa keo đe tạo vật liệu có hình dạng mong muốn nhiệt độ thấp Nó hình thành sở phản ứng thủy phân phản ứng ngưng tụ từ chất gốc (alkoxide precursors) Quá trình phương pháp hóa học ướt tổng họp phần tử huyền phù dạng keo rắn chất lỏng sau tạo thành nguyên liệu lưỡng pha cùa khung chất rắn, chứa đầy dung môi 1.3 Mục tiêu nghiên cứu đề tài “ Chế tạo hạt Nano S1O2 có kích thước Nano từ vỏ trấu phương pháp Sol-Gei” CHƯƠNG NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN cứu 2.1 Thời gian địa điểm nghiên cứu Các thí nghiệm tiến hành Phịng Cơng nghệ Sinh học Vật liệu Nano, Trung tâm Công nghệ Sinh học TP.HCM: 2374, quốc lộ 1A, phường Trung Mỳ Tây, quận 12, TP Hồ Chí Minh Khoa nông nghiệp công nghệ cao công nghệ sinh học, Trường Đại học Nguyễn Tất Thành Từ tháng 09/2017-03/2018 2.2 Nguyên liệu, hóa chất thiết bị 2.2.1 Nguyên liệu Trấu lấy từ nhà máy gạo Phan Thiết - khu công nghiệp Phan Thiết, huyện Hàm Thuận Bắc, tỉnh Bình Thuận 2.2.2 Hóa chất - NaOH (Scharlau - Tây Ban Nha) - HC1 (Xilong - Trung Quốc) - Butanol (Scharlau- Tây Ban Nha) - CTAP (N-Cetyl-N,N,N-Trimethylammonium bromide) 2.2.3 Thiết bị - Máy ly tâm (Hemel - Đức) - Máy lắc (Stuart - Anh) - Máy khuấy từ (CMAG - Đức) - Lò nung (Naberthem - Đức) - Máy đo kích thước hạt (Coulter - Mỳ) - Tủ sấy (Memmert - Đức) Quy trình chế tạo nano silica Nung 700 °C ị pH=7 Nano S1O2 2.3 Xử lý tro trấu Mục đích: Xác định nong độ xử lý HC1 toi ưu, thời gian nhiệt độ nung cho trình tinh tiền xử lý tro trấu Thí nghiệm 1: Xác định nong độ HC1 xử lý trình tinh tro trấu Cân 30 g vỏ trấu rửa sạch, phơi khô, xử lý với (50 ml) axit HC1 có nồng độ 3,7; 7,4 11,1% 12 nồng độ làm mạch xenlulo bị phân tử HC1 cắt tốt nhất,tối ưu thời gian nhiệt độ nung, mặc khác loại bỏ CaO, Na2Ơ, [8] Sau đó, trấu rửa pH trung tính, vỏ trấu nghiệm thức sau rửa nung 700°C Quan sát màu sắc khối lượng tro sau nung đe xác định hiệu suất (độ tinh sạch) trình xử lý với HC1 Bảng 2.1: Khảo sát ảnh hưởng nồng độ HC1 lên trình tinh tro trấu '^-^Nồng độ HC1 (%) 3,7 7,4 11,1 NT 1.1 NT 1.2 NT 1.3 Thời gian (lí)""\ 12 Thí nghiệm 2: Xác định thời gian nhiệt độ nung cho trình tinh tiền xử lý tro trấu Sau xác định thời gian nong độ HC1 tối ưu cho trình tiền xử lý tro trấu Ket sử dụng cho thí nghiệm đế khảo sát thời gian nhiệt độ nung đến hiệu suất độ tinh tro trấu Nung trấu tiền xử lý nhiệt độ 500, 600 700°C 2, Sau để nguội nghiền mịn Quan sát màu sắc cùa tro trấu hình thành khối lượng nung Bảng 2.2: Khảo sát ảnh hưởng nhiệt thời gian lên trình nung trâu ^\bJhiệt độ (°C) 500 600 700 NT 1.1 NT 1.2 NT 1.3 NT 2.1 NT 2.2 NT 2.3 NT 3.1 NT 3.2 NT 3.3 Thời gian (gíơ)''\^ 2.4 Chiết xuất silica dạng Silicat Natri Mục đích: Nhằm tạo muối Silicat Natri cho thí nghiệm Sol-Gel Thí nghiệm 3: Xác định nong độ thời gian xử lý NaOH lên trình chiết xuất Silica Cho 1,5 g tro trấu (có độ tinh tối ưu q trình tiền xử lý tro trấu) từ từ vào cốc chứa 150 ml NaOH có nong độ thay đổi 1, M Đun hồn họp máy khuấy từ, gia nhiệt thời gian 2,4, 100°C Trong trình đun, khuấy, cho thêm nước khử ion vào để giữ nguyên the tích hồn hợp ban đầu Tiến hành lọc dung dịch thu dịch tủa Bảng 2.3: Khảo sát ảnh hưởng nong độ NaOH thời gian lên trình tạo Silica Natri ''''''\^Nồng độ NaOH (M) NT 1.1 NT 1.2 NT 1.3 NT 2.1 NT 2.2 NT 2.3 NT 3.1 NT 3.2 NT 3.3 Thời gian (giịo'^^'\^ Hiệu st hình thành Silicat Natri băng cơng thức H= msi —— 100% mbđ H: Hiệu suất hòa tan Silicat Natri (%) msi: Khối lượng dung dịch sau lọc (g) mbđ.' Khối lượng dung dịch ban đầu (g) 2.5 Khảo sát nồng độ CTAB ảnh hương đến trình hình thành Nano SiO2 bang phương pháp Sol-Gel Mục đích: Nhằm khảo sát tỉ lệ CTAB thích hợp q trình chế tạo Nano SÌO2 vơ định hình Thí nghiệm 4: Xác định tỉ lệ thích hợp CTAB để chế tạo Nano S1O2 vơ định hình Trong thí nghiệm CTAB sử dụng chất hoạt động bề mặt nhằm phân tách hạt Nano S1O2 hình thành hệ Gel Nồng độ CTAB thêm vào phản ứng 1,2 3% Kiêm tra kích thước hạt Nano S1O2 đe xác định ảnh hưởng cùa tỷ lệ CTAB lên trình chế tạo Bảng 2.4: Khảo sát ảnh hưởng nồng độ CTAB lên kích thước hạt Nano S1O2 Nồng độ CTAB (%) l Nghiệm thức NT1 NT2 NT3 Phân tích kích thước hạt Nano S1O2 tạo thành phương pháp: máy đo kích thước hạt (LDS) 10 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ SẢN PHẨM ĐẠT Được 3.1 Xử lý tro trấu 3.1.1 Ảnh hưởng ciia nồng độ HCI đến trình tinh tro trấu Đê đánh giá ảnh hưởng nồng độ xử lý HC1 đen trình tinh tro trấu, trấu xử lý bang HC1 nồng độ thời gian ngâm khác nhau, sau nung 700oC Xử lý axit thực để loại bỏ kim loại kiềm tạp chất kim loại khác vỏ trấu, làm cắt đứt liên kết xenlulo tro trấu Ket cho thấy trình tiền xử lý bang HC1 ảnh hưởng đến trình tinh tro trấu, kết the qua bảng 3.1 hình 3.1 Từ kết bảng 3.1 hình 3.1 cho thấy tăng nồng độ ngâm HC1 lên khối lượng giảm độ trắng tro trấu tăng lên Thời gian ngâm HC1 7,4% 12 cho hiệu tối ưu với khối lượng tro trấu thu 10,35 g Bảng 3.1: Anh hưởng nồng độ HC1 lên khối lượng (g) tro trấu sau nung 700°C 12 Nồng độ HC1 (%) Thời gian 12 3,7 7,4 11,1 11,05 ±0,1 10,35 ± 0,1 10,32 ±0,1 11 Hình 3.1: Tro trấu sau xử lý HC1 nồng độ khác nhau, a) 3,7 % b) 7,4 % c) 11,1 % 3.1.2 Ảnh hưởng thời gian nhiệt độ nung cho trình tinh tro trấu Sau xác định thời gian nồng độ HC1 tốt cho trình tiền xử lý tro trấu Ket sử dụng cho thí nghiệm đe khảo sát thời gian nhiệt độ nung đến hiệu suất độ tinh tro trấu sau nung Ket nung thời gian nung mầu tro trấu nhiệt độ thời gian khác biếu diễn hình 3.2 bảng 3.2 Từ kết bảng hình cho thấy ảnh hưởng cùa nhiệt độ thời gian nung đến màu sắc, khối lượng hiệu suất cùa tro trấu Khi tăng nhiệt độ thời gian nung lên khối lượng giảm độ trắng tro trấu tăng lên Mầu tro trấu thu nung 700oC cho kết tốt nhất, với khối lượng tro đạt 10,28g Đe tiết kiệm lượng trình chế tạothử nghiệm, hướng tới sản xuất quy mô công nghiệp, kết nung 700oC chọn làm kết tối ưu 12 Hình 3.2: Màu sắc cùa mầu tro trấu sau sử lý nung a) 500 f) 700 b) c) d) e) 600 700 500 600 2 3 giò' giờ g) 500 h) 600 i) 700 13 Bảng 3.2: Khối lượng mầu tro trấu sau nung ^Nhiệt độ (°C) 500 600 700 11,96 ±0,1 10,81 ±0,1 10,51 ±0,1 11,19 ±0,1 10,40 ±0,1 10,28 ±0,1 10,89 ±0,1 10,46 ±0,1 10,28 ±0,1 Thời gian (giờ) 3.2 Chiết xuất silica dạng Silicat Natri Từ kết hình 3.3 cho thấy ảnh hưởng nồng độ thời gian xử lý NaOH đen khối lượng hiệu suất Silicat Natri Khi tăng nồng độ thời gian xử lý NaOH khối lượng hiệu suất tăng lên Nong độ NaOH 3M xử lý hiệu tốt đến trinh chiết xuất Silica, khối lượng Silica Natri thu đạt 1,285 g, hiệu suất đạt 85,6% ■ u4giờ «6 Hình 3.3: Biểu đồ thể kết ảnh hưởng nồng độ NaOH thời gian lên trình tạo Silica Natri (g) 14 3.3 Ảnh hưởng nồng độ CTAB đến trình hình thành Nano S1O2 phương pháp Sol-Gel Đe xác định ảnh hưởng chất hoạt động bề mặt đến kích thước hạt, sè khảo sát chất hoạt động bề mặt CTAB Nồng độ sử dụng cho chất hoạt động bề mặt lần lược 1,2, 3% trọng lượng % với nhiệt độ phân tán 60°C Ngoài ra, lượng bề mặt cao nhóm OH tự bề mặt Silic tạo liên kết hydro với phân tử nước, Silic phân tán đà phân lập từ dung môi, liên kết hydro loại bỏ thành liên lạc Si- O- Si dẫn đến hạt kích thước lớn hon Chất hoạt động bề mặt CTAB phủ cách đồng bề mặt vật liệu cho phân tán tốt việc treo Các thí nghiệm thực nồng độ CTAB khác the Hình 3.4, Hình 3.5, Hình 3.6 Với nồng độ CTAB 2% kích thước hạt đạt kết tốt 0,514 pm Bảng 3.3: Ảnh hưởng nồng độ CTAB đến kích thước hạt Nano S1O2 Nồng độ CTAB (%) Nghiệm thức 0,745 15 0,514 0,919 Hình 3.4: Kích thước hạt Nano S1O2 xử lý nồng độ CTAB1% ĩ 3%6h_0t_404 $Ỉ5 /oiume Startrthcs (Airthme&cji 375nm SakOabon* from (MO pm lữ 2000 pm 65 ' , XerhJin ifeanMedian ratoo 100% 514 pm 393 pm ĩ 308 350 pm 55 í 10% > 174 pm