BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG ĐÀO HỒNG THẮM NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH CELLULOSE TÁCH TỪ DĂM TRE LÀM VẬT LIỆU HẤP PHỤ ION Mn2+, Zn2+ TRONG NƯỚC Chuyên ngành HÓA HỮU CƠ Mã số 60 44 01 14 TÓM TẮT LUẬ[.]
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG ĐÀO HỒNG THẮM NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH CELLULOSE TÁCH TỪ DĂM TRE LÀM VẬT LIỆU HẤP PHỤ ION 2+ Mn , Zn 2+ TRONG NƯỚC Chuyên ngành: HÓA HỮU CƠ Mã số : 60.44.01.14 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Đà Nẵng - Năm 2015 Cơng trình hoàn thành ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: PGS TS LÊ TỰ HẢI Phản biện 1: PGS TS Lê Thị Liên Thanh Phản biện 2: TS Bùi Xuân Vững Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Khoa học họp Đại học Đà Nẵng vào ngày 27 tháng 07 năm 2015 Có thể tìm hiểu luận văn tại: Trung tâm Thông tin-Học liệu, Đại học Đà Nẵng Thư viện trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Tre có mặt nhiều nơi giới khắp làng quê Việt Nam Từ lâu, ngƣời biết sử dụng tre để làm nhà, làm đũa, vật dụng nông nghiệp Tre non làm thức ăn, tre khô làm củi đun, … Ngày nay, cơng nghiệp, tre cịn đƣợc dùng làm ngun liệu sản xuất giấy làm thuốc chữa bệnh ngứa, hen suyễn, ho, … y học Q trình cơng nghiệp hóa, đại hóa ngày tạo điều kiện thuận lợi cho phát triển kinh tế xã hội, nhƣng góp phần tạo lƣợng chất thải độc hại tác động trực tiếp đến sức kh e ngƣời động thực vật ác ngành cơng nghiệp nhƣ thuộc da, điện tử, cơng nghiệp hóa dầu gây nhiễm ngu chứa ion kim loại độc hại nhƣ u, Pb, Ni, d, s… n nƣớc lý ngu n nƣớc ô nhiễm vấn đề cấp bách quốc gia giới Hiện nay, nhà khoa học có xu hƣớng tìm đến vật liệu xanh, thân thiện với mơi trƣờng, có giá thành rẻ Đã có nhiều vật liệu đƣợc nghiên cứu nhƣ xơ dừa, trấu, v loại đậu, bã mía, … làm vật liệu hấp phụ, nhiên chúng tơi chƣa tìm thấy tài liệu vật liệu từ tre Do vậy, đề tài nghiên cứu chọn vật liệu dăm tre với nội dung 2+ , Zn2+ Mục tiêu nghiên cứu Biến tính cellulose tách từ dăm tre làm vật liệu hấp phụ kim loại nặng nƣớc Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu 3.1 Đố ợng: Dăm tre 3.2 Phạm vi nghiên c u: Quy mơ phịng thí nghiệm Phƣơng pháp nghiên cứu 4.1 Nghiên c u lý thuy t - Phân tích tổng hợp lý thuyết: nghiên cứu sở khoa học đề tài - Nghiên cứu giáo trình tài liệu tham khảo có liên quan đến đề tài - Trao đổi với giáo viên hƣớng dẫn 4.2 Nghiên c u thực nghi m - Tách cellulose từ dăm tre - Biến tính cellulose - ác định khả biến tính bằng: + Phƣơng pháp phân tích phổ h ng ngoại (IR) + Ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM) - Khả hấp phụ ion Mn2+, Zn2+ vật liệu hấp phụ phƣơng pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử ( S) Ý nghía khoa học thực tiễn 5.1 Ý ĩa k a ọc - Nghiên cứu biến tính cellulose tách từ dăm tre - Nghiên cứu khả hấp phụ ion Mn2+, Zn2+ nƣớc 5.2 Ý ĩa ực tiễn Kết nghiên cứu đề tài góp phần cung cấp tƣ liệu cho nghiên cứu khả hấp phụ ion kim loại nƣớc, tạo hƣớng phát triển việc xử lý ion kim loại vật liệu rẻ tiền, thân thiện với môi trƣờng Cấu trúc luận văn MỞ ĐẦU HƢƠNG 1: TỔNG QUAN HƢƠNG 2: NGUYÊN LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU HƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 TRE 1.1.1 Phân loại khoa học 1.1.2 Đặc điểm sinh thái 1.1.3 Thu hoạch lọc nhựa a Thu hoạch b Lọc nhựa 1.1.4 Thành phần hóa học 1.2 CELLULOSE 1.2.1 Cấu trúc phân tử 1.2.2 Tính chất vật lý 1.2.3 Tính chất hóa học 1.2.4 Trạng thái tự nhiên 1.2.5 Ứng dụng 1.3 PHƢƠNG PHÁP TÁCH CELLULOSE 1.3.1 Phƣơng pháp tách cellulose 1.3.2 Phản ứng hydratcacbon lignin môi trƣờng kiềm a Phản ng y a a b Phản ng ô ô ờng kiềm ờng kiềm 1.3.3 Phản ứng hóa học q trình nấu bột sunfat a Phản ng hydratcacbon b Phản ng lignin 1.4 GIỚI THIỆU MỘT SỐ KIM LOẠI NẶNG ĐIỂN HÌNH 1.4.1 Khái quát chung 1.4.2 Các ion kim loại nặng vấn đề ô nhiễm nguồn nƣớc a Kẽm b a c a c 1.5 HẤP PHỤ ION KIM LOẠI NẶNG TRONG NƢỚC 1.5.1 Các khái niệm 1.5.2 Các mô hình q trình hấp phụ a ì động học h p ph b Các mô hình h p ph đẳng nhi t 1.5.3 Các yếu tố ảnh hƣởng đến trình hấp phụ a Ả ởng nhi độ thời gian b Ảnh ởng c Ả ởng pH dẢ ởng nồ độ ion kim loại nặng e Ả ởng di n tích bề mặt ch t rắn đồng CHƢƠNG NGUYÊN LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 NGUYÊN LIỆU, HÓA CHẤT, DỤNG CỤ 2.1.1 Nguyên liệu Dăm tre đƣợc làm sạch, sấy 80o đến khơ 2.1.2 Hóa chất, dụng cụ a Tách cellulose từ - Hóa chất: NaOH, Na2S, HCl, H2O2 - Dụng cụ: Bình cầu, bếp điện, cân phân tích, bình định mức, đũa khuấy, nhiệt kế, … bB ằ ax - Hóa chất: xit citric, HNO3, NaOH, ZnSO4.7H2O, MnSO4.H2O - Dụng cụ: Máy đo pH, máy khuấy từ, tủ sấy, pipet, cốc, bình định mức, đũa thủy tinh, phễu lọc, … c k ả 2+ 2+ , Zn - Hóa chất: HNO3, NaOH, ZnSO4.7H2O, MnSO4.H2O - Dụng cụ: Máy đo pH, máy khuấy từ, tủ sấy, pipet, cốc, bình định mức, đũa thủy tinh, phễu lọc, … 10 Đánh giá trình tách cellulose dựa vào lƣợng lignin lại dăm tre sau nấu Lƣợng lignin đƣợc đánh giá qua số kappa (Test TAPPI T263) Chúng tiến hành xác định V’ thể tích (ml) dung dịch KMnO4 0,1N phản ứng với 0,1 gam bột sau nấu Do vậy, hàm mục tiêu đƣợc chọn ̂ = thể tích dung dịch KMnO4 0,1N (ml) phản ứng với 0,1 gam bột sau nấu Qua trình nghiên cứu, chúng tơi tìm đƣợc điều kiện tối ƣu cho q trình tách cellulose từ dăm tre là: thời gian nấu 3,8 giờ, tỉ lệ NaOH/Na2S 3,9, tỉ lệ dịch nấu/tre 14,53, nhiệt độ nhiệt độ sôi hỗn hợp 3.2 NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN Q TRÌNH BIẾN TÍNH CELLULOSE Ảnh hƣởng yếu tố đến khả biến tính cellulose axit citric đƣợc đánh giá qua khả hấp phụ ion Zn 2+ điều kiện: pH dung dịch 4, n ng độ Zn2+ 315 mg/l 3.2.1 Ảnh hƣởng nồng độ a it Điều kiện tiến hành: tỉ lệ rắn : l ng = 1g : 30ml, thời gian biến o tính (thời gian nung 120 ) 120 phút, n ng độ axit thay đổi từ 30% - 60% Kết thu đƣợc trình bày bảng 3.5 hình 3.1 ả Ảnh hưởng nồng độ axit citric đến q trình biến tính cellulose 30 40 50 60 C0 (ppm) 315 315 315 315 Cf (ppm) %H (%) 101,49 67,78 71,36 77,35 58,38 81,47 86,08 72,67 N ng độ axit ( ) Zn2+ 11 ì 3.1 Ảnh hưởng nồng độ axit citric đến q trình biến tính cellulose Kết từ hình 3.1 cho thấy khả hấp phụ cellulose tăng n ng độ axit citric tăng đạt cao n ng độ axit 50 nhƣng sau lại giảm tăng n ng độ axit citric đến 60% Nguyên nhân n ng độ axit tăng số phân tử axit tăng, số phân tử axit dễ thấm sâu vào mao quản cellulose nhiều hơn, làm tăng tốc độ phản ứng este hóa nên làm tăng khả hấp phụ Khi n ng độ axit citric nhiều phá hủy cấu trúc cellulose làm hiệu suất hấp phụ giảm 3.2.2 Ảnh hƣởng t lệ rắn l ng Điều kiện tiến hành: n ng độ axit citric 50%, thời gian biến tính 120 phút, tỉ lệ rắn : l ng thay đổi từ 1g : 20ml – 1g : 60ml Kết đƣợc trình bày bảng 3.6 hình 3.2 12 Bảng 3.6 Ảnh hưởng tỉ lệ rắn : lỏ đến t r biến tính cellulose Thể tích axit 50% (ml) 20 30 40 50 60 C0 (ppm) 315 315 315 315 315 C f (ppm) %H (%) 80,19 74,54 57,58 81,72 47,79 84,83 74,31 76,41 98,12 68,85 Zn2+ ì 3.2 Ảnh hưởng tỉ lệ rắn : lỏ đế n t r biến tính cellulose Kết hình 3.2 cho thấy khả hấp phụ cellulose biến tính axit citric 50 đạt cao tỉ lệ rắn l ng 1g : 40ml Khi thể tích axit tăng lên hiệu suất hấp phụ giảm nguyên nhân lƣợng axit nhiều dẫn đến việc phá hủy cấu trúc cellulose nên hiệu suất hấp phụ giảm 3.2.3 Ảnh hƣởng thời gian biến tính Điều kiện tiến hành: n ng độ axit citric 50%, tỉ lệ rắn : l ng = 1g : 40ml, nung nhiệt độ 120oC thời gian thay đổi từ 30 phút – 150 phút Kết đƣợc trình bày bảng 3.7 hình 3.3 13 Bảng 3.7 Ả ưởng t Thời gian (phút) 30 C0 (ppm) Zn 2+ 315 C f (ppm) 91,27 %H (%) 71,03 i ia đế 60 tr 90 iế t 120 ce e 150 315 315 315 315 85,95 72,71 66,27 78,96 42,18 86,61 79,23 74,85 Ả ưởng t i ia đế tr iế t ce e Nhƣ vậy, tăng thời gian biến tính hiệu suất hấp phụ tăng đạt cao thời gian 120 phút Sự gia nhiệt 120 o tạo điều kiện cho axit citric tách nƣớc thành anhydrit ác anhydrit tham gia phản ứng este hóa với cellulose (tại vị trí phản ứng nhƣ xuất nhóm chức axit (từ axit citric) Tuy nhiên k o dài thời gian trình tiếp tục xảy với nhóm chức axit cịn lại axit citric làm giảm số lƣợng nhóm chức axit nên làm giảm khả hấp phụ Tóm lại, trình biến tính cellulose axit citric nhận thấy cellulose đƣợc biến tính điều kiện tối ƣu là: n ng độ axit citric 50 ; tỉ lệ rắn : l ng 1g cellulose : 40 ml dung dịch axit, thời gian biến tính 120 phút 14 e e iế t 3.3 PHÂN TÍCH SẢN PHẨM CELLULOSE IẾN T NH 3.3.1 Phổ hồng ngoại Kết phân tích h ng ngoại cho ph p đánh giá có mặt nhóm chức nhƣ khẳng định phần cấu trúc phân tử chúng Kết đƣợc trình bày hình 3.5 3.6 So sánh phổ h ng ngoại hình 3.5 3.6 cho thấy: - Hình 3.5 hình 3.6 có xuất pic số sóng 3402.07 cm-1 (hình 3.5) 3413.30 cm-1 (hình 3.6) đặc trƣng cho nhóm -OH Tuy nhiên cƣờng độ pic hình 3.6 lớn hình 3.5 chứng t số lƣợng nhóm -OH tăng lên sau phản ứng - ƣờng độ dao động nhóm cacbonyl ứng với số sóng 1732.77 cm-1 tăng lên r rệt hình 3.6 phản ảnh kết phản ứng este hóa cellulose biến tính ellulose biến tính với cấu trúc bề mặt xốp gia tăng số lƣợng nhóm -COOH kết luận cellulose biến tính có đầy đủ đặc tính cho trình hấp phụ vật l hấp phụ hóa học 15 Hình 3.5 Phổ IR ce e dăm tre c ưa iến tính 16 Hình 3.6 Phổ IR cellulose dăm tre iến tính 3.3.2 Ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM) 7Ả SEM ce e c ưa iế t