Luận văn thạc sĩ khoa học nghiên cứu biến tính sợi thực vật ứng dụng làm vật liệu hấp thu dầu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THỊ MIỀN NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH SỢI THỰC VẬT ỨNG DỤNG LÀM VẬT LIỆU HẤP THU DẦU LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2016 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ[.]

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THỊ MIỀN NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH SỢI THỰC VẬT ỨNG DỤNG LÀM VẬT LIỆU HẤP THU DẦU LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2016 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - NGUYỄN THỊ MIỀN NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH SỢI THỰC VẬT ỨNG DỤNG LÀM VẬT LIỆU HẤP THU DẦU Chuy n ng nh: Hóa hữu M số: 60440114 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Nguyễn Thanh Tùng TS Chu Ngọc Châu Hà Nội - 2016 LỜI CẢM ƠN Sau thời gian nghi n cứu, đề t i đ ho n th nh Tôi xin b y tỏ lịng kính trọng v biết ơn sâu sắc tới TS Nguyễn Thanh Tùng - Phòng vật liệu Polyme, Viện Hoá học – Viện H n lâm Khoa học v Công nghệ Việt Nam v TS Chu Ngọc Châu – Khoa Hoá học – Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhi n – ĐHQG H Nội đ giao đề t i v tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ tơi thời gian vừa qua Tôi xin trân trọng cảm ơn thầy khoa Hố học – Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhi n – ĐHQG H Nội, anh chị cơng tác phịng vật liệu Polyme – Viện Hoá học, bạn bè, ngƣời thân đ giúp đỡ, động vi n v tạo điều kiện để ho n th nh luận văn n y Hà Nội, ngày tháng 01 năm 2016 Nguyễn Thị Miền MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU MỞ ĐẦU CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 SỢI THỰC VẬT 1.1.1 Th nh phần hoá học sợi thực vật .3 1.1.2 Cấu tạo phân tử xenlulozơ .4 1.1.3 Tính chất hố học xenlulozơ .6 1.2 PHẢN ỨNG AXETYL HÓA XENLULOZƠ .8 1.3 PHẢN ỨNG TRÙNG HỢP GHÉP LÊN XENLULOZƠ 11 1.3.1 Lý thuyết chung trình trùng hợp ghép 11 1.3.2 Ảnh hƣởng điều kiện phản ứng tới đặc điểm trình ghép v tính chất copolyme ghép xenlulozơ 14 1.4 SỰ CỐ TRÀN DẦU VÀ CÁC TÁC ĐỘNG ĐẾN MÔI TRƢỜNG, KINH TẾ XÃ HỘI, SỨC KHỎE CON NGƢỜI .19 1.4.1 Nguy n nhân gây cố tr n dầu 19 1.4.2 Tác động dầu tr n đến môi trƣờng v kinh tế - x hội .21 1.4.3 Tác động dầu tr n đến sức khỏe ngƣời 24 1.5 CÁC PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ SỰ CỐ TRÀN DẦU VÀ VẬT LIỆU HẤP THU DẦU 25 1.5.1 Các phƣơng pháp xử lý cố tr n dầu 25 1.5.2 Giới thiệu vật liệu hấp thu dầu 29 CHƢƠNG THỰC NGHIỆM 35 2.1 HÓA CHẤT, NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ THIẾT BỊ .35 2.1.1 Hóa chất, nguy n vật liệu 35 2.1.2 Thiết bị 35 2.2 PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 36 2.2.1 Axetyl hóa sợi tre 36 2.2.2 Trùng hợp ghép LMA lên sợi tre .36 2.2.3 Tổng hợp vật liệu hấp thu dầu tr n sở trùng hợp ghép LMA lên sợi tre có mặt chất tạo lƣới 37 2.3 CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ 37 2.3.1 Phân tích phổ hồng ngoại (IR – Infrared Spectroscopy) 37 2.3.2 Phƣơng pháp phân tích nhiệt (TGA – Thermo Gravimetric Analysis) 38 2.3.3 Phƣơng pháp hiển vi điện tử quét (SEM – Scanning Electron Microscopy) 39 2.3.4 Phƣơng pháp phổ tán xạ lƣợng tia X (EDX – Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) 39 2.3.5 Mức độ axetyl hóa 40 2.3.6 Hiệu suất ghép 41 2.3.7 Xác định h m lƣợng phần gel 41 2.3.8 Độ hấp thu dầu 41 2.3.9 Đo độ hấp thu dầu vật liệu điều kiện thực nghiệm khác 42 2.3.10 Thu hồi tái sử dụng vật liệu hấp thu dầu 42 CHƢƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 43 3.1 Axetyl hoá sợi tre .43 3.1.1 Ảnh hƣởng thời gian 43 3.1.2 Ảnh hƣởng nhiệt độ 43 3.1.3 Ảnh hƣởng h m lƣợng NBS .44 3.1.4 Ảnh hƣởng tỷ lệ sợi tre/anhidrit axetic .45 3.1.5 Khả hấp thu dầu 46 3.1.6 Một số đặc trƣng lý hoá sợi tre axetyl hóa .47 3.1.7 Kết luận tiểu mục 3.1 51 3.2 NGHIÊN CỨU TRÙNG HỢP GHÉP LMA LÊN SỢI TRE .52 3.2.1 Ảnh hƣởng thời gian 52 3.2.2 Ảnh hƣởng nhiệt độ 52 3.2.3 Ảnh hƣởng nồng độ chất khơi m o 53 3.2.4 Ảnh hƣởng nồng độ monome 54 3.2.5 Tổng hợp vật liệu hấp thu dầu tr n sở phản ứng trùng hợp ghép có mặt chất tạo lƣới .55 3.2.6 Một số đặc trƣng hóa lý sản phẩm 56 3.2.7 Kết luận tiểu mục 3.2 59 3.3 NGHIÊN CỨU CÁC TÍNH NĂNG CỦA VẬT LIỆU HẤP THU DẦU TRÊN CƠ SỞ SỢI TRE BIẾN TÍNH 60 3.3.1 Đo độ hấp thu dầu vật liệu 60 3.3.2 Thu hồi tái sử dụng vật liệu hấp thu dầu 61 3.3.3 Kết luận tiểu mục 3.3 63 KẾT LUẬN 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO 65 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt AA AASO3H AIBN ATRP CTAB DAc DMA DMAc DMAP DMF DMSO DS DSC DVB FTIR HFO LMA MBA NBS NOAA PP SEM TGA WPG XRD Giải thích Axit acrylic 2-acrylamido-2-metylpropansunfonic axit Azobisisobutyronitrin Phƣơng pháp trùng hợp gốc chuyển nguy n tử Cetyl trimetyl ammonium bromua Mức độ axetyl hoá Dimetyl axetamit Dimetyl axetamit 4-dimetylamino pyridin Dimetyl formamit Dimetylsulfoxit Mức độ Phƣơng pháp nhiệt vi sai quét Divinyl benzen Phổ hồng ngoại Dầu nhi n liệu nặng Lauryl metacrylat Metylenbisacrylamit N- Bromosuccinimit Cục quản lý đại dƣơng v khí quốc gia Hoa Kỳ Polypropylene Kính hiển vi điện tử quét Phƣơng pháp phân tích nhiệt trọng lƣợng Phần trăm gia trọng Nhiễu xạ tia X DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Cấu trúc phân tử xenlulozơ Hình 1.2 Li n kết hidro v ngo i mạch xenlulozơ Hình 1.3 Li n kết lớp xenlulozơ Hình 1.4 Phản ứng axetyl hoá xenlulozơ với anhidrit axetic Hình 1.5 Cơ chế phân tán v tách pha dầu khỏi nƣớc nhờ chất phân tán 27 Hình 2.1 Sơ đồ phản ứng trùng hợp ghép LMA lên sợi tre 36 Hình 2.2 Sơ đồ phản ứng trùng hợp ghép LMA lên sợi tre có mặt chất tạo lƣới 37 Hình 2.3 Nguy n lý phép phân tích EDX 40 Hình 3.1 Ảnh hƣởng thời gian phản ứng đến mức độ axetyl hóa .43 Hình 3.2 Ảnh hƣởng nhiệt độ phản ứng đến mức độ axetyl hóa 44 Hình 3.3 Ảnh hƣởng hàm lƣợng chất xúc tác 45 Hình 3.4 Ảnh hƣởng tỷ lệ sợi tre/anhidrit axetic (w/v) 46 Hình 3.5 Độ hấp thu dầu sợi tre sợi tre axetyl hóa .46 Hình 3.6 Phổ IR sợi tre (a) sợi tre axetyl hóa (b) 48 Hình 3.7 Giản đồ nhiễu xạ tia X sợi tre (a) sợi tre axetyl hóa (b) 49 Hình 3.8 Giản đồ phân tích nhiệt TGA sợi tre 50 Hình 3.9 Giản đồ phân tích nhiệt TGA sợi tre axetyl hóa 50 Hình 3.10 Ảnh SEM sợi tre (a) sợi tre axetyl hóa (b) 51 Hình 3.11 Ảnh hƣởng thời gian đến trình trùng hợp ghép LMA lên sợi tre 52 Hình 3.12 Ảnh hƣởng nhiệt độ đến trình trùng hợp ghép LMA lên sợi tre 53 Hình 3.13 Ảnh hƣởng nồng độ AIBN đến trình trùng hợp ghép .53 LMA lên sợi tre 53 Hình 3.14 Ảnh hƣởng nồng độ monome đến trình trùng hợp ghép 54 LMA lên sợi tre 54 Hình 3.15 Phổ IR sợi tre (a) LMA-sợi tre-DVB (b) 57 Hình 3.16 Giản đồ phân tích nhiệt TGA sợi tre 57 Hình 3.17 Giản đồ phân tích nhiệt TGA sợi tre ghép LMA .58 Hình 3.18 Ảnh SEM Sợi tre (a), LMA-Sợi tre (b) 59 Hình 3.19 Hình ảnh trình làm dầu thƣơng phẩm khỏi nƣớc: (a) Dầu mặt nƣớc; (b) dầu đƣợc hấp thu vật liệu; (c) Vật liệu sau hấp thu dầu đƣợc vớt 62 Hình 3.20 Khả tái sử dụng vật liệu hấp thu dầu sở sợi tre biến tính sau chu kỳ hấp thu/giải hấp 62 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Một số loại sợi thực vật đƣợc quan tâm thƣơng mại Bảng 1.2 Th nh phần số loại sợi thực vật Bảng 1.3 Ảnh hƣởng nồng độ chất khơi m o tới trình trùng hợp ghép .16 Bảng 1.4 Ảnh hƣởng dung môi tới số trình trùng hợp ghép .18 Bảng 1.5 Những vụ tr n dầu đƣợc nghi n cứu dịch tễ tác động l n sức khỏe ngƣời 24 Bảng 3.1 Kết FTIR 47 Bảng 3.2 Ảnh hƣởng h m lƣợng chất tạo lƣới đến sản phẩm trình trùng hợp ghép 55 Bảng 3.3 Kết FTIR 56 Bảng 3.4 Độ hấp thu dầu thô vật liệu xenlulozơ biến tính điều kiện thực nghiệm khác .60 Bảng 3.5 Độ hấp thu dầu thƣơng phẩm vật liệu xenlulozơ biến tính điều kiện thực nghiệm khác 61 MỞ ĐẦU Các sản phẩm chế biến từ dầu mỏ chiếm 90% nguồn nguy n liệu cho hoá hữu v sản phẩm hữu đặc biệt l vinyl monome Với tốc độ ti u thụ nhƣ v trữ lƣợng dầu mỏ có, nguồn lƣợng n y nhanh chóng bị cạn kiệt vòng 40-50 năm Nhu cầu dầu thô ng y c ng lớn v bất ổn trị nƣớc sản xuất dầu mỏ đ dẫn đến diễn biến phức tạp giá xăng dầu thời gian gần Rõ r ng l cần có nguồn nguy n liệu thay có khả tái tạo, đủ sức cạnh tranh với nguồn nguy n liệu hoá thạch (nguồn nguy n liệu không tái tạo) Các loại sợi xenlulozơ nhƣ đay, nứa, tre, v phế phụ phẩm nông nghiệp nhƣ lõi ngô, trấu, mùn cƣa, rơm rạ…l vật liệu rẻ tiền, sẵn có v l nguồn t i nguy n thi n nhi n có khả tái sinh Trong tre l lo i tự nhi n sẵn có, phát triển dồi d o hầu hết nƣớc vùng nhiệt đới v bán nhiệt đới Tre chiếm khoảng 20-25% khối lƣợng thực vật rừng bán nhiệt đới v nhiệt đới Việc biến tính sợi xenlulozơ phƣơng pháp nhƣ axetyl hoá hay trùng hợp ghép với vinyl monome mạch d i giúp l m giảm tính ƣa nƣớc vốn có chúng, tăng khả hấp thu dầu, l m cho chúng phù hợp với nhiều ứng dụng khác Ô nhiễm dầu tr n biển nói ri ng (sự cố tr n dầu) nhƣ nhiễm dầu nói chung l mối đe doạ đến môi trƣờng biển, hệ sinh thái ven biển v l mối quan tâm khơng ng nh dầu khí m nhân loại Tr n dầu thƣờng xảy hoạt động tìm kiếm, thăm dị, khai thác, vận chuyển, chế biến, phân phối tàng trữ dầu khí v sản phẩm dầu khí (ví dụ tƣợng rò rỉ, dầu, vỡ đƣờng ống, vỡ bể chứa, tai nạn gây thủng tầu, đắm tầu chở dầu, cố d n khoan dầu khí…) gây ảnh hƣởng xấu đến hệ sinh thái v gây thiệt hại to lớn đến hoạt động kinh tế Gần đây, công nghệ biến tính tổng hợp vật liệu nhằm tăng tính kị nƣớc khả hấp thu dầu đƣợc trọng nghiên cứu Nhiều loại vật liệu đƣợc chế tạo, đánh giá v so sánh khả hấp thu dầu nhƣ hiệu kinh tế Một hƣớng quan trọng khác lĩnh vực vật liệu hấp thu dầu đƣợc đặc biệt quan tâm nghi n cứu v phát triển l vật liệu hấp thu dầu tr n sở loại polyme thi n nhi n, thân thiện với môi trƣờng v có khả tự phân huỷ sinh học Vì lý nên chúng tơi đ chọn đề t i luận văn l : “Nghiên cứu biến tính sợi thực vật ứng dụng làm vật liệu hấp thu dầu” Những nhiệm vụ nghi n cứu m luận án phải thực l : - Tổng hợp vật liệu hấp thu dầu phản ứng axetyl hoá xenlulozơ sợi tre anhidrit axetic, xúc tác N-Bromosuccinimide (NBS) - Tổng hợp vật liệu hấp thu dầu phản ứng trùng hợp ghép vinyl monome mạch d i (lauryl metacrylat) l n sợi tre - Khảo sát khả hấp thu dầu, phƣơng pháp thu gom v khả tái sử dụng vật liệu CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 SỢI THỰC VẬT 1.1.1 Thành phần hoá học sợi thực vật Sợi thực vật, nhƣ t n gọi nó, thu đƣợc từ loại Th nh phần hố học l xenlulozơ chúng cịn đƣợc gọi l sợi xenlulozơ Sợi thực vật đƣợc phân loại theo nguồn gốc chúng cây, bao gồm: - Sợi vỏ hay sợi thân: tạo th nh bó xơ b n vỏ thân - Sợi hay sợi cứng: chạy dọc theo chiều d i mầm - Sợi len quả: ví dụ nhƣ bơng l sợi thực vật quan trọng Có tới 250.000 lo i thực vật bậc cao, nhi n có số lo i (< 0,1%) đƣợc khai thác cho ứng dụng thƣơng mại Bảng 1.1 Một số loại sợi thực vật đƣợc quan tâm thƣơng mại T n thƣơng mại Lanh Gai dầu Đay xanh Đay cách Gai Chuối sợi Dứa Dừa Bông Bông gạo T n gọi theo thực vật học Sợi vỏ (sợi mềm) Linum usitatissimum Cannabis sativa Corchorus capsularis Hibiscus cannabinus Boehmeria nivea Sợi (sợi cứng) Musa textilis Ananas comasus Sợi len Cocos nucifera Gossypium sp Ceiba pentandra Nơi trồng Các vùng nhiệt đới Tất vùng nhiệt đới ấn Độ ấn Độ, Iran, Bắc Mỹ Trung Quốc, Nhật Bản, Mỹ Borneo, Philippin, Sumatra Hawaii, Philippin, Indonesia, nhiệt đới, Ấn Độ, Mexico Mỹ, châu á, châu Phi nhiệt đới Thành phần sợi thực vật ngo i xenlulozơ (một polysaccarit) cịn có hemixenlulozơ, hợp chất phenol, pectin, hợp chất chiết đƣợc, ngo i có tạp chất vơ nhƣ tro, [2, 32] Th nh phần hoá học chủ yếu số loại sợi thực vật theo phần trăm khối lƣợng khô tuyệt đối đƣợc trình b y bảng 1.2 [1, 2] Bảng 1.2 Th nh phần số loại sợi thực vật Loại sợi Đay Dừa Cọ Lanh Dứa Chuối Tre nứa Bã mía Bơng Rơm rạ Lignin (%) 13 4043 19 12,7 Xenlulozơ (%) 72 3243 65 81 81,5 6364 Hemixenlulozơ (%) 13 0,150,25 14 19 Pectin (%)