Untitled SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 19, No K5 2016 Trang 62 Ứng dụng bông vải biến tính bằng hỗn hợp m DMDHEU và choline cloride để xử lý các ion 2 4CrO , 42 AsOH trong nước Nguyễn Thư[.]
SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 19, No.K5- 2016 Ứng dụng bơng vải biến tính hỗn hợp m-DMDHEU choline cloride để xử lý 2 CrO H AsO ion , nước Nguyễn Thượng Đẳng * Phạm Thành Quân Trần Chí Trung Khoa Kỹ thuật Hóa học, Trường Đại học Bách khoa, ĐHQG-HCM (Bản nhận ngày 26 tháng 01 năm 2016, hoàn chỉnh sửa chữa ngày 14 tháng 05 năm 2016) TÓM TẮT Bài báo sử dụng vải biến tính hỗn hợp m-DMDHEU choline cloride để xử lý số anion kim loại nặng nước Vật liệu sau ngâm dung dịch hỗn hợp mDMDHEU choline chloride 24 hoạt hóa nhiệt độ 140 oC giờ, sau rửa m-DMDHEU choline chloride chưa phản ứng nước cất Khả hấp phụ trao đổi ion vật liệu nghiên cứu với dung dịch mơ hình chứa ion CrO42 , H AsO4 điều kiện khác Kết cho thấy vải sau biến tính có khả hấp phụ ion CrO42 , H AsO4 dung dịch mơ hình tương ứng 99,9 % 99,6 %; với nhựa trao đổi anion giá trị tương ứng 98,0 % 97,6 % pH=7,0 Từ khóa: Bơng vải, m-DMDHEU, choline chloride, nhựa trao đổi anion GIỚI THIỆU Các hoạt động khai thác mỏ, công nghiệp thuộc da, công nghiệp điện tử, mạ điện, công nghiệp sản xuất ắcquy chì –axít, lọc hóa dầu hay công nghệ dệt nhuộm… tạo nguồn ô nhiễm chứa kim loại nặng độc hại Fe, Cu, Pb, Ni, Cd, As, Hg…[1,4] Những kim nhiều khó khăn chi phí xử lý cao Các phụ phẩm nơng nghiệp nghiên cứu để xử lý nước chúng có ưu điểm giá thành rẻ, vật liệu tái tạo thành phần chúng chứa polymer dễ biến tính có tính chất hấp phụ hoặc/và trao đổi ion cao [1,2,3,5] loại có liên quan trực tiếp đến biến đổi Để xử lý ion kim loại dạng cation gen, ung thư ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường [1,2] Đối với nước Fe, Cu, Ni, Pb axit xitric sử dụng phổ biến để làm tác nhân biến tính phát triển Việt Nam, qui mô công nghiệp chủ yếu mức vừa nhỏ, việc xử lý nước thải gặp cellulose So với biện pháp biến tính cellulose trước đó, phương pháp sử dụng axit xitric có Trang 62 TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 19, SỐ K5- 2016 nhiều ưu điểm điều kiện phản ứng đơn giản, tác nhân axit không độc hại, giá thành thấp, vật H H Để xử lý ion kim loại dạng anion cromat, asenat chưa thấy có nhiều cơng bố nghiên cứu tác nhân biến tính cellulose Tiêu biểu có nhóm Marshall (2005) HO HO H O H O H H O O liệu sau biến tính có khả xử lý với hiệu cao [6,7,8,9,10,11,12] H OH HO H H 3C O OH OH H H O N HO N C HO O pH - Cl HO 140 oC N H 3C O tiến hành biến tính vỏ đậu nành, bã mía thân ngô (hydroxymethyl) N 4,5-dihydroxy-1,3-bis imidazolidin-2-one epichlorohydrine 4,5-dihydroxy-1,3-bis (methoxymethyl) imidazolidin-2-one (m-DMDHEU) choline chloride (CC) theo sơ đồ hình Bơng vải sau biến tính có xuất nhóm –N(CH3)3Cl, nhóm tâm hấp phụ trao đổi ion vật liệu với ion cromat nước: 2R-N(CH3)3Cl + CrO42- → (R-N(CH3)3)2CrO4 + 2ClR-N(CH3)3Cl + K+ + CrO42- → N(CH3)3)KCrO4 + Cl- NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP 2.1 Nguyên liệu hóa chất (R- N H O O H O O H H O N HO N O OH O HO H HO O H H C dimethylamine pyridyne dimethylformamide để tách ion cromat; kết đa 20 0C 16,83 mg/g [14] Trong nghiên cứu này, tiến hành biến tính bơng vải HO OH H cho thấy trình hấp phụ trao đổi ion cromat trình thu nhiệt với dung lượng hấp phụ tối N H HO loại ion cromat, arsenat selenat [13] Nhóm Sunil Kumar Bajpai (2009) biến tính cưa HO C (DMDHEU) choline chloride (CC); kết cho thấy có gia tăng đáng kể khả tách mùn Cl O H O O N Cl Hình Sơ đồ biến tính bơng vải m-DMDHEU choline chloride Hóa chất dùng thí nghiệm mDMDHEU 30 % BASF, choline chloride 98 % từ Ấn Độ, K CrO4 , KH AsO4 , nhựa trao đổi anion GA13 từ Ấn Độ nước cất lần Các hóa chất pha nước cất để tạo dung dịch có nồng độ xác định khơng qua xử lý thêm Bông vải với 100 % cotton sử dụng nghiên cứu 2.2 Qui trình biến tính bơng vải Bông vải ngâm với dung dịch hỗn hợp m-DMDHEU % choline chloride 10 % điều chỉnh pH thích hợp (pH=3-4) thời gian 01 ngày để hỗn hợp thấm sâu vào bên xơ sợi; lọc lấy vật liệu đem phơi khô đến độ ẩm nhỏ 15 % hoạt hóa 140 oC Trang 63 SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 19, No.K5- 2016 Vật liệu sau hoạt hóa rửa nước cất, sau phơi khô tự nhiên thời gian 12 Kết thí nghiệm trình bày bảng bảo quản bao plastic Ta nhận thấy có thay đổi đáng kể khối lượng dung lượng xử lý ion cromat vật liệu 2.3 Thiết bị nghiên cứu trước sau sấy Tại thời điểm mức tăng Nồng độ ion cromat phân tích máy khối lượng vật liệu gam vật liệu KTĐ ban đầu không đáng kể dung lượng xử lý phổ hấp thu nguyên tử (AAS) SHIMADZU AA – 6300 nồng độ ion asenat (V) phân tích ion cromat nhỏ Điều thời điểm không xảy phản ứng m-DMDHEU máy ICP-MS Agilent 7500 phòng Hóa phân tích – Đại học Khoa học tự nhiên Tp.HCM CC (choline chloride) với vật liệu ion cromat bị xử lý trình hấp phụ Vật liệu trước sau biến tính chụp SEM máy Hitachi S-4800 phịng Cơng nghệ Nano – Trung tâm Nghiên cứu triển khai – Mức tăng khối lượng đạt cực đại 0,31 g/g Khu Công nghệ cao Tp.HCM chụp phổ FT-IR máy TENSOR37 PTN trọng điểm vật liệu KTĐ thời điểm 1,5 giờ, dung lượng xử lý ion cromat đạt cực đại 0,142 mmol/g KTĐ Polymer & Compozit, Đại học Bách khoa TP.HCM thời điểm Kết cho thấy sau thời điểm không phản ứng xảy CC KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN với vật liệu qua cầu nối m-DMDHEU Mức tăng khối lượng sau thời điểm phản ứng 3.1 Khảo sát thời gian biến tính vải tiếp m-DMDHEU tự với cầu nối m- Tiến hành xử lý mẫu theo quy trình DMDHEU với nhóm mục 2.2, khảo sát thời gian biến tính thay đổi từ đến Xác định mức tăng khối CH OH cellulose Sau thời điểm 1,5 giờ, mức tăng khối lượng dung lượng xử lý có xu hướng giảm phản ứng tạo liên kết ngang cầu nối m- lượng khô tuyệt đối (KTĐ) mẫu trước sau biến tính; kết hợp đánh giá dung lượng xử DMDHEU Kết hợp dung lượng xử lý với mức tăng khối lượng vật liệu theo thời gian sấy, ta lý ion cromat tối đa mẫu dung dịch cromat có nồng độ 200 ppm, thể tích 200 ml chọn thời gian sấy tối ưu pH=7,6 nhiệt độ phòng ( 28 0C) Bảng Mức tăng khối lượng dung lượng xử lý ion cromat tối đa theo thời gian Thời gian Khối lượng KTĐ Khối lượng Khối lượng mmol CrO42- /g sấy (Giờ) ban đầu (g) KTĐ sau sấy (g) tăng/KTĐ (g/g) KTĐ 0,9281 0,9540 0,03 0,018 0,5 0,8087 0,9570 0,18 0,088 0,9240 1,1488 0,24 0,142 1,5 0,9375 1,2275 0,31 0,130 0,9298 1,1891 0,28 0,112 0,9324 1,1900 0,28 0,094 Trang 64 TAÏP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 19, SỐ K5- 2016 Bảng Mức tăng khối lượng dung lượng xử lý ion cromat tối đa theo nồng độ CC Mẫu thí nghiệm Khối lượng KTĐ ban đầu (g) Khối lượng Khối lượng KTĐ sau sấy (g) tăng/KTĐ (g/g) mmol CrO42- /g KTĐ 15 % m-DMDHEU 0,9300 2,1864 1,35 0,012 10 % CC 0,9378 0,9814 0,05 0,024 % m-DMDHEU + % CC 0,9130 1,2204 0,34 0,088 % m-DMDHEU + % CC 0,9003 1,1840 0,32 0,124 % m-DMDHEU + 10 % CC 0,9240 1,1488 0,24 0,142 3.2 Khảo sát tỷ lệ mol choline chloride m-DMDHEU Tiến hành xử lý mẫu quy trình mục 2.2, thay đổi nồng độ CC từ % đến 10 % Kết thí nghiệm trình bày bảng Kết cho thấy m-DMDHEU có phản ứng với cellulose khơng có khả trao đổi ion, cịn CC khơng có phản ứng trực tiếp lên cellulose mức chênh lệch khối lượng trước sau sấy không đáng kể Đối với hỗn hợp mDMDHEU CC ta giữ nguyên nồng độ mDMDHEU tăng nồng độ CC mức tăng khối lượng giảm dung lượng xử lý lại tăng Điều giải thích nồng độ CC cao, phân tử CC chiếm lấy tâm – CH2 – OH nhiều ngăn cản phân tử m-DMDHEU tiếp xúc phản ứng với tâm này, dẫn đến mức tăng khối lượng giảm; bù lại nồng độ CC cao CC phản ứng với cầu nối m-DMDHEU nhiều hơn, dẫn đến dung lượng xử lý tăng Kết ngoại quan cho thấy vật liệu trước biến tính có màu trắng cịn vật liệu sau biến tính có màu vàng nhạt; có cấu trúc cứng dai so với vật liệu trước biến tính Kết SEM cho thấy bó sợi vật liệu sau biến tính có kích thước chiều ngang khơng thay đổi nhiều so với vật liệu trước biến tính vào khoảng từ 10 um đến 15 um Kết đo phổ FT-IR vật liệu sau biến tính có xuất thêm mũi dao động số sóng 1708 cm-1, dao động nhóm C=O nhóm urea N-CO-N vịng cạnh Điều chứng tỏ có phản ứng ête hóa xảy cầu nối m-DMDHEU với vải 3.4 Khảo sát dung lượng xử lý ion cromat tối đa theo pH Tiến hành đánh giá dung lượng xử lý ion cromat tối đa mẫu dung dịch cromat có nồng độ 200 ppm thể tích 200 ml có giá trị pH khác Mỗi mẫu dung dịch 3.3 Ảnh SEM phổ FT-IR vải trước sau biến tính cromat ngâm với khoảng gam vật liệu KTĐ cốc 500 ml nhiệt độ phòng ( Tiến hành chụp ảnh SEM đo phổ FT- 28 0C) thời gian 12 giờ; sau đem IR bơng vải trước sau biến tính Kết trình bày hình lọc đo hàm lượng cromat lại Kết thí nghiệm trình bày bảng Trang 65 SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 19, No.K5- 2016 a- Vật liệu trước biến tính b- Vật liệu sau biến tính Hình Ảnh SEM phổ FT-IR bơng vải trước sau biến tính Bảng Dung lương xử lý ion cromat tối đa theo pH Mẫu pH Môi trường Khối lượng KTĐ (g) mmol CrO42- /g KTĐ 3,2 Axít 0,86 0,178 7,6 Trung tính 1,06 0,142 10,0 Bazơ 0,90 0,036 Kết cho thấy mơi trường axít vật liệu xử lý ion cromat tốt môi trường dạng ion bicromat Cr2O7 2-; ion có điện tích -2 có M=216 g/mol cao gần gấp trung tính bazơ Đặc biệt mơi trường bazơ khả hấp phụ trao đổi ion vật đôi so với ion CrO4 2- có M=116 g/mol; dẫn đến với số lượng tâm hấp phụ liệu giảm mạnh khơng cịn khả xử lý Điều mơi trường bazơ có vật liệu mơi trường axít xử lý ion Crom hiệu diện ion OH-, ion cạnh tranh hấp phụ trao đổi ion với tâm hấp phụ trao đổi ion vật liệu với ion cromat; dẫn đến khả hấp phụ trao đổi ion vật liệu với ion cromat giảm mạnh Cịn mơi trường axít bơng vải biến tính xử lý ion cromat tốt môi trường trung tính ion cromat tồn Trang 66 3.5 Khảo sát hiệu suất xử lí ion cromat cột mơ hình Dung dịch chứa ion CrO42- có nồng độ 200 ppm pH=7,6 sử dụng làm dung dịch mơ hình để đánh giá so sánh hiệu suất xử lý bơng vải biến tính nhựa trao đổi anion mạnh TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 19, SỐ K5- 2016 Dung dịch mơ hình cho qua cột có chiều cao tính có khả hấp phụ trao đổi ion cromat H=220 mm, đường kính D=45 mm nhiệt độ asenat với hiệu suất gần hồn tồn tương ứng phịng ( 28 C) với tốc độ lọc ml/phút Kết 99,9 % 99,6 %; giá trị nhựa trao đổi anion tương ứng 98,0 % 97,6 % thí nghiệm trình bày bảng Bảng Hiệu suất xử lý ion CrO42trên cột mơ hình Loại vật liệu Bơng vải biến tính Khối lượng vật liệu (g), (KTĐ) Nhựa anionit Bảng Hiệu suất xử lý hỗn hợp ion CrO42- H2AsO4- cột mơ hình Anion cần xử lý CrO42- Khối lượng vật liệu (g), (KTĐ) 10,44 Tốc độ lọc (ml/phút) pH=7,0 H2AsO4- 10,44 Tốc độ lọc (ml/phút) 5 Thể tích lọc (ml) 200 Thể tích lọc (ml) Nồng độ trước lọc 200 Nồng độ trước lọc (ppm) 100 50 Bông Nồng độ sau 99,9 99,6 2,0 1,2 98,0 97,6 (ppm) Nồng độ sau lọc (ppm) Hiệu suất (%) 99.95 97.10 Kết cho thấy bơng vải biến tính có khả hấp phụ trao đổi ion cromat với hiệu suất tốt nhựa anionit; hiệu suất xử lý ion cromat bơng vải biến tính cao 99.95%; cịn giá trị nhựa anionit 97,1 % pH=7,6 3.6 Khảo sát hiệu suất xử lí hỗn hợp ion cromat asenat cột mơ hình Dung dịch chứa hỗn hợp ion CrO 42- H2AsO4 pH=7,0 sử dụng làm dung dịch mơ hình để đánh giá so sánh hiệu suất xử lý - Hiệu suất (%) 200 tính Nhựa Nồng độ sau Anionit lọc (ppm) Hiệu suất (%) KẾT LUẬN Kết nghiên cứu cho thấy có gia tăng đáng kể khả hấp phụ trao đổi ion cromat vải sau biến tính dung dịch hỗn hợp m-DMDHEU choline chloride bơng vải biến tính nhựa trao đổi anion so với vải trước biến tính Khi so sánh với nhựa trao đổi anion bơng vải biến tính có mạnh Dung dịch mơ hình cho qua cột có chiều cao H=220 mm, đường kính D=45 mm khả xử lý ion cromat, asenat (V) dung dịch hỗn hợp tốt nhựa trao đổi anion nhiệt độ phòng ( 28 0C) với tốc độ lọc pH=7,0 Điều chứng tỏ m-DMDHEU ml/phút Kết thí nghiệm trình bày bảng Kết cho thấy diện ion asenat không ảnh hưởng đến khả hấp phụ trao đổi ion cromat bơng vải biến tính Bơng vải biến cầu nối hiệu để gắn choline chloride lên vải mở hướng nghiên cứu để tổng hợp vật liệu anionit lignocellulose từ phụ phẩm nông nghiệp khác để xử lý các kim loại nặng dạng anion dung dịch nước Trang 67 SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 19, No.K5- 2016 Apply modified cotton by m-DMDHEU and choline cloride to separate ion CrO42 , H AsO4 in water solution Nguyen Thuong Dang * Pham Thanh Quan, Tran Chi Trung Ho Chi Minh city University of Technology, VNU – HCM ABSTRACT In this article, cotton is modified by mDMDHEU and choline chloride The modified water Adsorption and ion exchange process were studied with a model solution contained ion CrO42 CrO42 , H AsO4 in different conditions H AsO4 in water solution as effectively as Results showed that the modified cotton is able to cotton can adsorb and ion exchange ion , CrO42 and H AsO4 of the model, anionit resin The material are activated by adsorb ion soaking in 24 h with mixed m-DMDHEU and solution is nearly completely, respectively 99,95 choline chloride, then dried and activated in h at 140 oC, all residual reactants was removed by % and 99,60 %; the values of anionit resin is respectively 97,99 % and 97,60 % at pH=7,0 Keywords: Cotton, anion exchange resin, m-DMDHEU, choline chloride TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] N A Adesola Babarinde1 et al., Biosorption of lead ions from aqueous [3] J.C Igwe , E.C.Nwokennaya and A.A Abia, The role of pH in heavy metal detoxification solution by maize leaf , Ibadan, Nigeria by biosorption from aqueous solutions (2006) containing chelating agents, P.M.B 2000 Uturu, Abia State Nigeria (2005) [2] James S Han, Stormwater filtration of toxic heavy metal ions using lignocellulosic materials selection process, fiberization, [4] Jame W.Patterson, Industrial Wastewater Treatment Technology, second edition, chemical modification, and mat formation, U.S Department of Agriculture, Forest Butterworth – Heinemann, Boston – London –Singapore – Sedney – Toronto – Service U.S.A (1999) Wellington, (1985) Trang 68 TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 19, SỐ K5- 2016 [5] Wayne E Marshall et al, Optimization and [11] Nguyễn Thượng Đẳng, Phạm Thành Quân, estimated production cost of a citric acid- Tống Thanh Danh, Khả dehydrat hóa modified soybean hull ion exchanger, Ind Crops Prod 14, 191 – 199 (2001) decacboxyl hóa axit xitric, Tạp chí Hóa học, T.48-4A, 523-528 (2010) [6] James D Mc Sweeny, Roger M Rowell, Soo-Hong Min, Effect of Citric Acid [12] Phạm Thành Quân, Nguyễn Thượng Đẳng, Châu Minh Huệ, Nghiên cứu ứng dụng gáo Modification of Aspen Wood on Sorption of Copper Ion, Journal of Natural Fibers, Vol dừa, dừa biến tính để xử lý kim loại nặng nước thải, Tạp chí Khoa học Công 3(1) (2006) nghệ 50 (3A), 265-270 (2012) [7] Wayne E Marshall et al, Enhanced Metal Adsorption by Soybean Hulls Modified with [13] Wayne E Marshall, Lynda H Wartelle, Chromate ion adsorption by-products Citric Acid, Bioresource Technology, vol 69 263-268 (1999) modified with dimethylodihydroxyethylene urea and choline chloride, Water research [8] Nasim Ahmad Khan et al., Elimination of Heavy Metals from Wastewater Using Agricultural Wastes as Adsorbent, 39, 2869–2876 (2005) [14] Sunil Kumar BAJPAI et al, Removal of Hexavalent Chromium from Aqueous Malaysian Journal of Science 23, 43 – 51 (2004) Solutions by Sorption into a Novel Sawdust Anion Exchanger (SAE) Sorbent [9] Lê Thanh Hưng cộng sự, Nghiên cứu khả hấp phụ trao đổi ion xơ dừa JOURNAL OF ENVIRONMENTAL PROTECTION SCIENCE, Vol 3, pp 23 – vỏ trấu biến tính, Hội nghị khoa học công nghệ lần thứ 10 (2007) 33 (2009) [10] Phạm Thành Quân, Nguyễn Thượng Đẳng, Tống Thanh Danh, Nghiên cứu ứng dụng vải phế thải mùn cưa tràm vàng xử lý số kim loại nặng nước thải, Tạp chí Hóa học, T.48-4C, 490-495 (2010) Trang 69 ... đổi ion cromat bơng vải sau biến tính dung dịch hỗn hợp m-DMDHEU choline chloride vải biến tính nhựa trao đổi anion so với bơng vải trước biến tính Khi so sánh với nhựa trao đổi anion bơng vải biến. .. hợp ion cromat asenat cột mơ hình Dung dịch chứa hỗn hợp ion CrO 42- H2AsO4 pH=7,0 sử dụng làm dung dịch mô hình để đánh giá so sánh hiệu suất xử lý - Hiệu suất (%) 200 tính Nhựa Nồng độ sau Anionit... biến tính xử lý ion cromat tốt mơi trường trung tính ion cromat tồn Trang 66 3.5 Khảo sát hiệu suất xử lí ion cromat cột mơ hình Dung dịch chứa ion CrO42- có nồng độ 200 ppm pH=7,6 sử dụng làm dung