Nghiên cứu quy trình biến tính vỏ chuối ứng dụng làm vật liệu hấp phụ dầu khoáng

282 NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH BIẾN TÍNH VỎ CHUỐI ỨNG DỤNG LÀM VẬT LIỆU HẤP PHỤ DẦU KHOÁNG Phạm Nguyễn Hoàng Long, Nguyễn Công Minh Trí, Vũ Ngọc Bảo Trân Viện Khoa học Ứng dụng HUTECH, Trường Đại học Công n[.]

NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH BIẾN TÍNH VỎ CHUỐI ỨNG DỤNG LÀM VẬT LIỆU HẤP PHỤ DẦU KHỐNG Phạm Nguyễn Hồng Long, Nguyễn Cơng Minh Trí, Vũ Ngọc Bảo Trân Viện Khoa học Ứng dụng HUTECH, Trường Đại học Công nghệ TP.Hồ Chí Minh GVHD: PGS.TS Thái Văn Nam, ThS Trịnh Trọng Nguyễn TĨM TẮT Ơ nhiễm dầu từ cố tràn dầu mối quan tâm Có nhiều phương pháp để xử lý cố dần tràn hấp phụ phương pháp khả thi Hiện nay, việc nghiên cứu, chế tạo loại vật liệu hấp phụ dầu có nguồn gốc tự nhiên quan tâm Mục tiêu nghiên cứu xây dựng quy trình biến tính vỏ chuối nhằm gia tăng hiệu hấp phụ dầu đồng thời hạn chế khả ưa nước vật liệu hấp phụ tự nhiên truyền thống Vỏ chuối xử lý sơ bộ, xử lý hoá học sau biến tính với acid oleic tỷ lệ thích hợp Sau đó, vật liệu đánh giá khả xử lý dầu khoáng (dầu diesel) khảo sát số thông số ảnh hưởng đến khả hấp phụ dầu vật liệu Từ khóa: Acid oleic, biến tính, dầu diesel, hấp phụ, vỏ chuối ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện việc ô nhiễm dầu từ cố tràn dầu diễn thường xuyên hơn, gây ảnh hưởng đến môi trường sinh vật biển Theo số liệu thống kê Cục Môi trường, từ năm 1987 đến năm 2007 xảy 90 vụ tràn dầu vùng cửa sông ven bờ gây thiệt hại lớn kinh tế gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng thời gian dài [22] Việc xử lý dầu tràn có nhiều biện pháp như: Cơ học, hoá học sinh học Trong biện pháp hố học cụ thể sử dụng chất hấp phụ từ nông nghiệp cho thấy tiềm lớn, việc vừa hạn chế phế phẩm nông nghiệp thải môi trường vừa khắc phục vấn đề ô nhiễm dầu Ở nước ta chuối loại trái có diện tích sản lượng tương đối cao, chiếm 19% tổng diện tích ăn trái Việt Nam hàng năm, cho sản lượng khoảng 1,4 triệu tấn/năm [15] Trong đó, diện tích trồng chuối chủ yếu tập trung tỉnh miền Trùng miền Nam, số tỉnh Thanh Hóa, Nghệ An, Khánh Hịa, Đồng Nai, Sóc Trăng, Cà Mau có diện tích từ 3.000 đến gần 8.000 Trong đó, tỉnh miền Bắc có diện tích trồng chuối lớn như: Hải Phòng, Nam Định, Phú Thọ… chưa đạt đến 3.000 [15] Vỏ chuối chiếm 18 - 33% trọng lượng chuối, theo sản lượng sản xuất chuối từ – 10 tấn/ngày cho thấy tiềm nguồn nguyên liệu đầu vào lớn Một yếu tố quan trọng chất hấp phụ tự nhiên thành phần cellulose chiến tỷ lệ cao Theo đó, thành phần cellulose vỏ chuối chiếm khoảng 4,5 – 4,6% khối lượng, thành phần cấu tạo hợp chất polime hợp thành từ mắt xích β-glucozơ nối với 282 liên kết β-1,4-glicozit, phân tử cellulose không phân nhánh, khơng xoắn dẫn đến vỏ chuối có độ xốp cao thích hợp để làm vật liệu hấp phụ [15] Với yếu tố trên, cho thấy vỏ chuối có nhiều tiềm việc ứng dụng làm vật liệu hấp phụ dầu Bảng 1: So sánh vỏ chuối chất hấp thụ dầu tràn [6] Vật liệu hấp thụ Khả hấp thụ (g/g) Bông (Cotton) 37,9 ± 2,6 Rơm lúa mạch 7-12 Trấu 6-10 Giấy thải 8-9,5 Mạt cưa 4,5-8,5 Vỏ chuối 5-7 Lõi bắp 5-7 Bã mía 3-6 Đất sét 3,4-4 Rơm lúa mì 2-4 Vỏ hành tây 0.455 Vỏ tỏi 0.385 CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN Hossain M.A cộng (2012), nghiên cứu sử dụng vỏ chuối để hấp phụ ion Cu2+ kết cho thấy giá trị pH tối ưu cho dung lượng hấp phụ cực đại 28 mg/g [11] Đặng Văn Phi (2012) thuộc Trường Đại học Đà Nẵng nghiên cứu việc biến tính vỏ chuối acid citric để hấp phụ hai ion Cu2+và Pb2+ Kết thu khả hấp phụ vỏ chuối biến tính điều kiện pH tối ưu thời gian cân hấp phụ 60 phút hai ion Cu2+ Pb2+ cao nhiều so với nguyên liệu ban đầu Dung lượng hấp phụ cực đại ion Cu2+ 7,704 mg/g 24,272 mg/g ion Pb2+ [5] Arunakumara cộng (2013), sử dụng vỏ chuối để hấp phụ ion kim loại như: Pb2+, Ni2+, Zn2+, Cu2+, Co2+ Kết nghiên cứu cho thấy dung lượng hấp phụ cực đại cao ion Pb2+, khoảng 7,97 mg/g Dung lượng hấp phụ hđối với ion lại như: Ni2+, Zn2+, Cu2+, Co2+ là: 6,88 mg/g; 5,8 mg/g; 4,75 mg/g; 2,55 mg/g [3] M.N.A Al-Azzawi cộng sư (2013) nghiên cứu dùng vỏ chuối làm vật liệu hấp phụ ion kim loại Cr3+, Ni2+, Zn2+ Kết nghiên cứu nhiệt độ 25oC pH 5, dung lượng hấp phụ cực đại Cr3+ 76 mg/g; Ni2+ 19 mg/g Zn2+ 66 mg/g [12] Zahra Abbasi cộng (2013), dùng vỏ chuối để hấp phụ ion Co2+ Ni2+ Kết cho thấy dung lượng hấp phụ cực đại Co2+ 9,02 mg/g; Ni2+ 8,91 mg/g [20] 283 M.S Mahmoud (2014) sử dụng vỏ chuối để hấp phụ ion Mn2+ Kết cho thấy khả hấp phụ ion Mn2+ đạt tối ưu sau khuấy giờ, nhiệt độ pH tối ưu 22oC Dung lượng hấp phụ cực đại 11,806 mg/g [13] Ngoài ra, G Alaa El-Din cộng (2018) rằng, vỏ chuối có khả hấp phụ dầu tương đối tốt điều kiện 25oC, kích thước hạt trung bình 0,3625 mm, thời gian hấp phụ 15 phút với mẫu nước biển nhân tạo 3,5% độ dày màng dầu mm Cụ thể, khả hấp phụ dầu tối đa dầu khí dầu thơ sau q trình phịng hố ngày ngày 5,31; 6,35; 6,63 g/g vật liệu Bên cạnh đó, vật liệu tái sử dụng 10 lần với hiệu suất xử lý 50% [6] Hầu hết nghiên cứu tập trung vào ứng dụng vỏ chuối để hấp phụ ion KLN nước [3], [5], [11], [12], [13], [20], có nghiên cứu G Alaa El-Din cộng (2018) sử dụng vỏ chuối để làm vật liệu hấp phụ dầu [6] Tuy nhiên, khả hấp phụ dầu chưa cao Do đó, nghiên cứu này, chúng tơi đề xuất quy trình xử lý vỏ chuối biến tính với acid oleic nhằm tăng khả hấp phụ dầu vật liệu hạn chế khả ưa nước vật liệu ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU Từ phân tích trên, vỏ chuối tiền xử lý hố học với kiềm, acid sau biến tính với acid oleic Theo đó, mục đ ch việc xử lý kiềm nhằm để loại bỏ lignin, sáp, pectin, lớp phủ làm lộ bề mặt bên sợi tự nhiên giúp tăng khả hấp phụ dầu (Wahi cộng sự., 2013, Abdullah cộng sự., 2010) [1]; đó, việc xử lý vật liệu acid ngăn chặn phơi nhiễm tăng nhóm cellulose hydrơxyl thành sợi xơ vỏ chuối [1] Bên cạnh đó, việc gắn phân tử acid oleic hình thành liên kết este tạo thành xúc tua bắt dầu, dẫn đến gia tăng khả hấp phụ dầu đồng thời làm nhóm hydrơxyl (OH-) hạn chế khả ưa nước vật liệu [14] Quy trình xử lý vật liệu vỏ chuối sử dụng để làm vật liệu hấp phụ dầu đề xuất theo Hình Vỏ chuối sau thu gom từ sở sản xuất rửa xử lý sơ để loại bỏ bụi bẩn Sau đó, vỏ chuối sấy nhiệt độ 85  2oC 24 hút ẩm, bảo quản nhiệt độ phòng Do vỏ chuối hàm lượng lignin chiếm từ 15 - 20% nên sấy nhiệt độ cao vỏ chuối bị khét, nhiệt độ thích hợp để sấy vỏ chuối 85oC Tiếp theo, vỏ chuối nghiền cho qua rây có kích thước khác từ 0,15 – 0,3 mm Vật liệu vỏ chuối thô ngâm dung dịch kiềm (NaOH) tiếp tục ngâm dung dịch acid (H2SO4), sau rửa vật liệu pH trung tính Vật liệu sau xử lý hóa học biến tính với acid oleic với tỷ lệ vỏ chuối/acid oleic = 1/0,4 đến 1/1 đến theo khổi lượng Sau đó, vật liệu rửa nhiều lần n-hexan để loại bỏ acid oleic dư thừa Cuối cùng, vật liệu bảo quản hũ/túi nilon 284 Vỏ chuối Xử lý sơ Sấy (85  oC) Nghiền Rây Sấy lần (85  oC) Vật liệu thơ Xử lý hóa học Vật liệu hấp phụ tự nhiên Biến tính với acid oleic Vật liệu hấp phụ biến tính Khảo sát bề mặt hình thái qua ảnh: SEM, TEM, FTIR Khảo sát khả hấp phụ Xác định yếu tố ảnh hưởng Ứng dụng xử lý nguồn nước nhiễm dầu Hình 1: Sơ đồ nghiên cứu Để đánh giá khả hấp phụ vỏ chuối, vật liệu hấp phụ chế tạo từ vỏ chuối bao gồm vật liệu thơ vật liệu biến tính với acid oleic chụp SEM (Kính hiển vi điện tử quét), FTIR (Quang phổ hồng ngoại) quan sát kính hiển vi để xác định hình thái bề mặt Sau đó, chụp ảnh TEM (Kính hiển vi điện tử truyền qua), FTIR để xác định hình thành liên kết Tiếp theo, áp dụng phương pháp: Xác định dầu mỡ tổng (SMEWW 5520 OIL AND GREASE B2012) để xác 285 định dung lượng hấp phụ qua thí nghiệm khảo sát dung lượng hấp phụ cực đại, yếu tố ảnh hưởng đến trình hấp phụ vỏ chuối KẾT QUẢ NHIÊN CỨU Ơ BỘ Tiến hành thí nghiệm cho 1g vật liệu hấp phụ vào 100 ml mẫu nước nhiễm dầu giả định với váng dầu dày mm, thời giap hấp phụ 20 phút Sau đó, tách vật liệu hấp phụ khỏi dung dịch phương pháp lọc nhanh xác định hàm lượng dầu lại nước sau hấp phụ Hình 1: Cho vật liệu vào mẫu nước nhiễm dầu giả định Kết sơ cho thấy khả hấp phụ dầu mẫu vật liệu hấp phụ: vật liệu thơ, vật liệu xử lý hóa học, vật liệu biến tính sau: Bảng 2: Kết nghiên cứu sơ Lượng dầu ban đầu (g) Lượng dầu lại (g) Lượng dầu hấp phụ (g) Vật liệu hấp phụ thô 8.012 6,78 1.232 Vật liệu xử lý hóa học 8.037 5,61 2.427 Vật liệu biến tính 8.126 4.146 Mẫu KẾT LUẬN Qua đánh giá ban đầu dựa tài liệu liên quan trình khảo sát ban đầu qua thí nghiệm bản, vỏ chuối có cấu trúc gồm nhiều sợi cellulose, cấu trúc tiền đề cho việc sử dụng làm vật liệu hấp phụ dầu Các nghiên cứu thực tế cho thấy vỏ chuối chất hấp phụ dầu tương đối tốt, chất loại vật liệu hữu có nguồn gốc tự nhiên nên có khối riêng lớn làm cho khả vật liệu môi trường nước kém, dẫn đến hiệu hấp phụ dầu chưa mức tốt khả thu gom sau xử lý gặp nhiều khó khăn Tuy nhiên, vỏ chuối bổ sung acid oleic khả hấp phụ dầu cải thiện cách đáng kể hạn chế nhược điểm vật liệu hấp phụ tự nhiên 286 Vỏ chuối đến thường coi rác, giá trị kinh tế thấp sử dụng làm vật liệu hấp phụ để xử lý nước nhiễm dầu tốt bổ sung thêm số tác nhân hóa học Nếu tân dụng nguồn nguyên liệu để sử dụng làm vât liệu hấp phụ dầu hướng có ý ngh a nguồn ngun liệu có có sẵn có sản lượng lớn Việt Nam TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Abdullah M., Muhammad Faez Mohd Kamaruzaman, Amirul Afif Zulkifli, Nur Haniza Md Kamis1 and Nur Amirah Mohd Shahar, Oil removal using durian peel wastes: effect of adsorbent condition, Malaysian Journal of Industrial Technology, Volume 1, No 1, 2016, ISSN: 2462-2540 [2] Ahmed Bayat, Seyed Foad Aghamiri, Ahmed Moheb, G RezaVakili-Nezhaad, Oil spill cleanup from sea water by sorbentmaterial, Chem Eng Technol 28 (2005) [3] Arunakumara, Buddhi Charana Walpola, Min- Ho Yoon, Banana peel: A green solution for metal removal from contaminated waters, Korean J Environ Agric Vol 32, No (2013), pp 108- 116 [4] D Sidiras, F Batzias, I Konstantinou, M Tsapatsisb, Simulation of auto-hydrolysis effect on adsorptivity of wheatstraw in the case of oil spill cleaning, Chem Eng Res Des (2014) 1–11 [5] Đặng Văn Phi (2012), Nghiên cứu sử dụng vỏ chuối để hấp phụ số ion kim loại nặng nước, Luận văn thạc s , Trường Đại học Đà Nẵng [6] G Alaa El-Din, A.A Amer, G Malsh, M Hussein (2018) Study on the use of banana peels for oil spillremoval, Alexandria Engineering Journal (2018) 57, pp 2061-2068 [7] Gerald Deschamps, Herve Caruel, Marie-Elisabeth Borredon, Christophe Bonnin, Chrstian Vignoles, Oil Removal from Waterby Selective Sorption on Hydrophobic Cotton Fibers Studyof Sorption Properties and Comparison with Other CottonFiber-Based Sorbents, Environ Sci Technol 37 (2003) 1013–1015 [8] I.M Muhammad, U.A El-Nafaty, S Abdulsalam, Y.I Makarfi, Removal of oil from oil produced water usingEggshell, Civil Environ Res (8) (2012) [9] Kudaybergenov Kenes, Ongarbayev Yerdos, MansurovZulkhair, Doszhanov Yerlan, Study on the effectiveness ofthermally treated rice husks for petroleum adsorption, J Non-Cryst Solids 358 (2012) 2964–2969 [10] M Husseien, A.A Amer, Azza El-Maghraby, NeamaHamedallah, A comprehensive characterization of corn stalkand study of carbonized corn stalk in dye and gas oil sorption, J Anal Appl Pyrol 86 (2009) 360–363 [11] M.A Hossain, H Hao Ngo, W.S Guo, T.V Nguyen (2012), Removal of Copper from water by absorption onto banana peels as bioadsorbent, Int.J of Geomate, Vol 2, pp 227- 234 287 [12] M.N.A Al- Azzawi, S.M Shartooth, S.A.K Al- Hiyaly (2013), The removal of Zinc, Nickel from Industerial Waste- Water using banana peels, Iraqi Journal of science, Vol 54, No.1, pp 7281 [13] M.S Mahmoud (2014), Banana peels as an Eco-sorbent for Manganese ions, International Journal of Biomolecular, Agricultural, Food and Biotechnological Engineering, Vol 8, No 11 [14] Nam T.V., Nguyen T.T., Dung D.N., Phuong P.T.H., 2020, Esterified Durian Peel Adsorbents with Stearic Acid for Spill Removal, Chemical Engineering Transactions, 78, 271-276 [15] Nguyễn Thị Kiều Duyên (2016), Điều chế khảo sát ứng dụng vật liệu hấp phụ từ vỏ chuối, Khóa luận tốt nghiệp, Trường Đại học Sư Phạm TP Hồ Chí Minh [16] Rafeah Wahi, Luqman Chuah Abdullah, Thomas ChoongShean Yaw, Zainab Ngaini, Mohsen Nourouzi Mobarekeh, Oil removal from aqueous state by natural fibrous sorbent: anoverview, Sep Purzf Technol 13 (2013) 1–4 [17] Renata S D Castro (2011), Banana Peel Applied to the Solid Phase Extraction of Copper and Lead from River Water: Preconcentration of Metal Ions with a Fruit Waste, I & EC, pp 34463451 [18] Shariff Ibrahim, Ha-Ming Ang, Shaobin Wang, Removal ofemulsified food and mineral oils from wastewater usingsurfactant modified barley straw, Biores Technol 100 (2009)5744– 5749 [19] Teik-Thye Lim, Xiaofeng Huang, Evaluation of kapok (Ceibapentandra (L.) Gaertn.) as a natural hollow hydrophobic–oleophilic fibrous sorbent for oil spill cleanup, Chemosphere 66(2007) 955–963 [20] Z Abbasi, M Alikarami, E.R Nezhad, F Moradi, V Moradi (2013), Adsorptive removal of Co2+ and Ni2+ by peels of banana from aqueous solution, Universal Journal of chemistry 1(3): 9095 [21] Những hậu ô nhiễm môi trường biển tràn dầu [online], viewed 11/02/2016, from: [22] Báo cáo đề tài Ô nhiễm tràn dầu bờ biển miền Trung [online], viewed 15/06/2016, from: 288 ... đến vỏ chuối có độ xốp cao thích hợp để làm vật liệu hấp phụ [15] Với yếu tố trên, cho thấy vỏ chuối có nhiều tiềm việc ứng dụng làm vật liệu hấp phụ dầu Bảng 1: So sánh vỏ chuối chất hấp thụ dầu. .. sử dụng vỏ chuối để làm vật liệu hấp phụ dầu [6] Tuy nhiên, khả hấp phụ dầu chưa cao Do đó, nghiên cứu này, chúng tơi đề xuất quy trình xử lý vỏ chuối biến tính với acid oleic nhằm tăng khả hấp. .. phụ: vật liệu thô, vật liệu xử lý hóa học, vật liệu biến tính sau: Bảng 2: Kết nghiên cứu sơ Lượng dầu ban đầu (g) Lượng dầu lại (g) Lượng dầu hấp phụ (g) Vật liệu hấp phụ thô 8.012 6,78 1.232 Vật