Nghiên cứu cải thiện độ bền nhiệt của aerogel từ nanocellulose, graphene oxide và polyvinyl alcohol bằng natri bicacbonat

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT HĨA HỌC NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN ĐỘ BỀN NHIỆT CỦA AEROGELTỪ NANOCELLULOSE, GRAPHENE OXIDE VÀ POLYVINYL ALCOHOL BẰNG NATRI BICACBONAT GVHD: ThS NGUYỄN TƯỜNG VY SVTH: VĂN THỊ CHÂU LINH SKL010102 Tp Hồ Chí Minh, tháng 12/2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH  KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN ĐỘ BỀN NHIỆT CỦA AEROGEL TỪ NANOCELLULOSE, GRAPHENE OXIDE VÀ POLYVINYL ALCOHOL BẰNG NATRI BICACBONAT GVHD: ThS Nguyễn Tường Vy SVTH: Văn Thị Châu Linh MSSV: 17128036 Tp Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2021 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành khoá luận tốt nghiệp bên cạnh cố gắng nỗ lực thân, hướng dẫn nhiệt tình q thầy cơ, cịn có lời động viên giúp đỡ gia đình bạn bè Lời đầu tiên, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành tri ân sâu sắc đến thầy cô giáo trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM nói chung thầy giáo Khoa Cơng Nghệ Hóa Học nói riêng tận tình giảng dạy truyền đạt cho kiến thức, kinh nghiệm quý báu suốt thời gian học tập vừa qua Tôi xin cảm ơn chân thành đến cô Th.S Nguyễn Tường Vy, Bộ môn Vật liệu Polymer & Composite, Khoa Khoa học & Công nghệ vật liệu Trường Đại học Khoa học Tự nhiên TP Hồ Chí Minh giao đề tài trực tiếp hướng dẫn, tận tình giúp đỡ suốt q trình thực khóa luận để tơi hồn thành khố học Tơi xin cảm ơn gia đình, người thân tạo điều kiện để hỗ trợ động viên tơi suốt q trình thực đề tài Cảm ơn toàn thể bạn bè lớp k17 Hóa Polymer ln đồng hành hỗ trợ tơi lúc khó khăn suốt q trình học tập Trong q trình thực khố luận tốt nghiệp không ngừng học hỏi trau dồi kiến thức Tuy nhiên, tránh thiếu sót, kính mong đóng góp ý kiến Quý thầy cô, để nâng cao kiến thức, phục vụ cho trình học tập làm việc sau Một lần xin gửi lời cảm ơn chân thành lời chúc tốt đẹp đến Quý thầy cơ, gia đình bạn bè giúp đỡ tơi suốt q trình làm đề tài TP Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2021 Sinh viên thực khóa luận Văn Thị Châu Linh LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan đề tài “Nghiên cứu khảo sát khả chống cháy aerogel từ nanocellulose graphene oxide polyvinyl alcohol” nghiên cứu cá nhân chúng tôi, hướng dẫn trực tiếp ThS Nguyễn Tường Vy giảng viên khoa Khoa học Công nghệ vật liệu trường Đại học Khoa học tự nhiên - ĐHQG TP HCM Các số liệu kết trình bày luận văn trung thực chưa cơng bố trước TP Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2021 Sinh viên thực khóa luận Văn Thị Châu Linh KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC VÀ THỰC PHẨM BỘ MƠN CƠNG NGHỆ HĨA HỌC NHIỆM VỤ KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP Văn Thị Châu Linh Họ tên sinh viên: MSSV: 17128036 Ngành: Cơng nghệ Kỹ thuật Hóa học Chuyên ngành: Hóa Polymer Tên khóa luận: Nghiên cứu cải thiện độ bền nhiệt aerogel từ nanocellulose, graphene oxide polyvinyl alcohol natri bicacbonat Nhiệm vụ khóa luận: – Tách chiết thành cơng nanocellulose từ cuống dừa nước Việt Nam kích thước nanocellulose – Tổng hợp graphene oxide từ graphite phương pháp Hummer cải tiến – Chế tạo aerogel CNF/GO/PVA CNF/GO/PVA/NaHCO3 phương pháp trộn hợp dung dịch sau sấy đơng khơ – Khảo sát khả cải thiện độ bền nhiệt hấp phụ tetracycline aerogel CNF/GO/PVA có mặt natri bicacbonat Ngày giao nhiệm vụ khóa luận: 20/01/2021 Ngày hồn thành khóa luận: 10/12/2021 Họ tên người hướng dẫn: Th.S Nguyễn Tường Vy Nội dung hướng dẫn: Khảo sát khả cải thiện độ bền nhiệt hấp phụ tetracycline aerogel dựa nanocellulose graphene oxide có mặt natri bicacbonat Nội dung yêu cầu khóa luận tốt nghiệp thơng qua Trưởng Bộ mơn Cơng nghệ Hóa học Tp.HCM, ngày TRƯỞNG BỘ MÔN tháng năm 2021 NGƯỜI HƯỚNG DẪN Th.S Nguyễn Tường Vy MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG i DANH MỤC HÌNH ii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT v TÓM TẮT KHÓA LUẬN vi MỞ ĐẦU vii CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tình hình nghiên cứu 1.1.1 Tình hình nghiên cứu nước 1.1.2 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 1.2 Aerogel 1.3 Cây dừa nước 1.3.1 Sơ lược dừa nước 1.3.2 Thành phần hóa học dừa nước 1.4 Nanocellulose 1.4.1 Phân loại nanocellulose 1.4.2 Tính chất nanocellulose 1.4.3 Chiết xuất nanocellulose từ sinh khối lignocellulose 10 1.4.4 Ứng dụng nanocellulose 12 1.5 Graphene oxide 13 1.5.1 Khái niệm graphene oxide 13 1.5.2 Tính chất graphene oxide .14 1.5.3 Ứng dụng graphene oxide 15 1.6 Polyvinyl alcohol 16 1.6.1 Khái niệm polyvinyl alcohol 16 1.6.2 Tính chất vật lý .17 1.6.3 Tính chất hóa học 18 1.6.4 Sự phân hủy PVA 20 1.6.5 Ứng dụng polyvinyl alcohol 20 1.7 Chất chống cháy 20 1.7.1 Tổng quan NaHCO3 .21 1.7.2 Cơ chế chống cháy NaHCO3 21 1.8 Tetracycline 21 CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 23 2.1 Hóa chất thiết bị sử dụng 23 2.1.1 Hóa chất 23 2.1.2 Thiết bị 24 2.2 Các phương pháp phân tích đánh giá 24 2.2.1 Phổ tử ngoại khả kiến (UV – Vis) 24 2.2.2 Nhiễu xạ tia X (XRD) 25 2.2.3 Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) 25 2.2.4 Kính hiển vi điện tử quét (SEM) 25 2.2.5 Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) 26 2.2.6 Đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ N2 (BET) .26 2.2.7 Đánh giá mật độ độ xốp aerogel 27 2.2.8 Đặc tính cháy 27 2.2.9 Đặc tính cách nhiệt .28 2.2.10 Đánh giá khả hấp phụ kháng sinh tetracycline mẫu aerogel 29 2.3 Quy trình thực nghiệm .30 2.3.1 Quy trình chế tạo CNF 30 2.3.2 Quy trình tổng hợp graphene oxide 34 2.3.3 Quy trình chế tạo aerogel từ nanocellulose graphenen oxide polyvinyl alcohol 36 2.3.4 Quy trình chế tạo aerogel chống cháy 37 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 38 3.1 Kết tổng hợp cellulose nanofibers 38 3.1.1 Phân tích nhiễu xạ tia X 38 3.1.2 Phân tích phổ hồng ngoại biến đổi Fourier 39 3.1.3 Phân tích kính hiển vi điển tử quét .41 3.1.4 Phân tích nhiệt trọng lượng 42 3.2 Kết tổng hợp graphene oxide 43 3.2.1 Phân tích nhiễu xạ tia X 43 3.2.2 Phân tích phổ hồng ngoại biến đổi Fourier 44 3.2.3 Phân tích nhiệt trọng lượng 45 3.3 Kết tổng hợp vật liệu aerogel CNF/GO/PVA/NaHCO3 .46 3.3.1 Hình thái vật liệu 46 3.3.2 Cấu trúc vật liệu aerogel chống cháy 49 3.3.3 Tính chất nhiệt vật liệu aerogel chống cháy 51 3.3.4 Đặc tính cháy 52 3.3.5 Đặc tính cách nhiệt .54 3.3.6 Khả hấp phụ kháng sinh tetracycline 55 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN .62 4.1 Kết luận 62 4.2 Kiến nghị .63 TÀI LIỆU THAM KHẢO .64 PHỤ LỤC 69 DANH MỤC BẢNG Bảng 1 Thành phần hóa học phận khác dừa nước (% trọng lượng) Bảng Tính chất vật lý PVA 17 Bảng Tính chất hóa lý TC .22 Bảng Bảng thống kê hóa chất thí nghiệm .23 Bảng Mật độ độ xốp aerogel CNF/GO/PVA aerogel CNF/GO/PVA/NaHCO3 48 Bảng Các giá trị nhiệt độ phân hủy bắt đầu kết thúc, nhiệt độ phân hủy cực đại, khối lượng giảm giai đoạn lượng tro lại aerogel CNF/GO/PVA (Mẫu 1) aerogel CNF/GO/PVA/ NaHCO3 (Mẫu 2) từ đồ thị TGA/DTG .52 Bảng 3 Kết xây dựng đường chuẩn TC 55 Bảng Kết khả hấp phụ tetracycline aerogel CNF/GO/PVA aerogel CNF/GO/NaHCO3 56 Bảng Kết so sánh khả hấp phụ aerogel CNF/GO/PVA aerogel CNF/GO/NaHCO3 57 Bảng Số liệu thực nghiệm động học hấp phụ 58 Bảng Thông số động học hấp phụ TC aerogel CNF/GO/PVA/NaHCO3 59 Bảng Diện tích bề mặt riêng đường kính mao quản aerogel CNF/GO/PVA aerogel CNF/GO/PVA/NaHCO3 theo phương pháp BJH 61 i 4.2 Kiến nghị Sau q trình hồn thành khóa luận chúng tơi có số kiến nghị sau: ➢ Khảo sát thêm hàm lượng NaHCO3 aerogel CNF/GO/PVA/NAHCO3 ➢ Khảo sát thêm thử nghiệm chống cháy theo tiêu chuẩn UL – 94 ➢ Khảo sát khả tái sử dụng aerogel CNF/GO/PVA/NaHCO3 ➢ Khảo sát khả hấp phụ chất ô nhiễm từ nguồn nước khác mẫu aerogel CNF/GO/PVA/NaHCO3 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] M Farooq, M.H Sipponen, A Seppala, M Osterberg, “Eco-friendly FlameRetardant Cellulose Nanofibril Aerogels by Incorporating Sodium Bicarbonate”, Acs appl mater inter, vol 10, no 32, pp 27407 – 27415, 2018 [2] Lijie Zhou, Shengcheng Zhai, Yiming Chen and Zhaoyang Xu, “Anisotropic Cellulose Nanofibers/Polyvinyl Alcohol/Graphene Aerogels Fabricated by Directional Freeze-drying as Effective Oil Adsorbents”, Polymers, vol 11, no 4, pp – 15, 2019 [3] B Wicklein, A Kocjan, G Salazar -Alvarez, F Carosio, G Camino, M Antonietti, L Bergström, “Thermally insulating and fire - retardant lightweight anisotropic foams based on nanocellulose and graphene oxide”, Nat Nanotechnol, vol 10, no 3, pp 277 – 283, 2015 [4] S S Kistler, “Coherent Expanded Aerogels and Jellies”, Nature, vol 127, no 32, pp 741, 1931 [5] Du, Ai, Zhou, Bin, Zhang, Zhihua, Shen, “A Special Material or a New State of Matter: A Review and Reconsideration of the Aerogel”, Materials, vol 6, no 3, pp 941–968, 2013 [6] Md Farid Hossain, Md Anwarul Islam, “Utilization of Mangrove Forest Plant: Nipa Palm (Nypa fruticans Wurmb)”, American Journal of Agriculture and Forestry, vol 3, no 4, pp 156 – 160, 2015 [7] Tamunaidu P, Saka S, “Chemical characterization of various parts of nipa palm (Nypa fruticans)”, Industrial Crops and Products, vol 34, no.4, pp 1423-1428, 2011 [8] Orlando J Rojas, “Cellulose Chemistry and Properties: Fibers, Nanocelluloses and Advanced Materials”, Advances in Polymer Science, pp – 52, 2016 [9] Bajpai, Pratima, “Structure and Properties of Cellulose and Nanocellulose” Fundamentals to Advanced Materials, vol 3, no 2, pp 27 – 40, 2017 64 [10] André Pinkert, Kenneth N Marsh, Shusheng Pang and Mark P Staiger, “Ionic Liquids and Their Interaction with Cellulose”, Chemical Reviews, vol 109, no 12, pp 6712 – 6725, 2009 [11] J Pérez, J Muñoz-Dorado, T de la Rubia, J Martínez, “Biodegradation and biological treatments of cellulose, hemicellulose and lignin: an overview”, International microbiology, vol 5, no 2, pp 53 – 63, 2002 [12] H V Lee, S B A Hamid, and S K Zain, “Conversion of Lignocellulosic Biomass to Nanocellulose: Structure and Chemical Process”, The Scientific World Journal, vol 20, no 3, pp – 20, 2014 [13] Patchiya Phanthong, Prasert Reubroycharoen, Xiaogang Hao, Guangwen Xu, Abuliti Abudula, Guoqing Guan, “Nanocellulose: Extraction and application”, Carbon Resources Conversion, vol 1, no 1, pp 32 – 43, 2018 [14] N Lin and A Dufresne, “Nanocellulose in biomedicine: Current status and future prospect”, European Polymer Journal, vol 59, no 9, pp 302 – 325, 2014 [15] Fathin Najihah Mohd Hussin, Roswanira Abdul Wahab, Nursyfreena Attan, “Nanocellulose and nanoclay as reinforcement materials in polymer composites: A review”, Malaysian Journal of Fundamental and Applied Sciences, vol 16, no 2, pp 145 – 153, 2020 [16] R J Moon, A Martini, J Nairn, J Simonsen, and J Youngblood, “Cellulose nanomaterials review: structure, properties and nanocomposites”, Chemical Society Reviews, vol 40, no 7, pp 3941 – 3994, 2011 [17] Raghvendra Kumar Mishra, Arjun Sabu, Santosh K Tiwari, “Materials chemistry and the futurist eco-friendly applications of nanocellulose: Status and prospect”, Journal of Saudi Chemical Society, vol 22, no 8, pp 948 – 879, 2018 [18] Ana Ferrer, Lokendra Pal, Martin Hubbe, “Nanocellulose in packaging: Advances in barrier layer technologies”, Industrial Crops and Products, vol 95, no 11, pp – 9, 2016 65 [19] E Robles, I Urruzola, J Labidi, L Serrano, “Surface-modified nano-cellulose as reinforcement in poly (lactic acid) to conform new composites”, Industrial Crops Prod, vol.71, no 7, pp 44–53, 2015 [20] M Nogi, S Iwamoto, A.N Nakagaito, H Yano, “Optically transparent nanofiber paper Advanced Mater, vol 21, no 16, pp 1595–1598, 2009 [21] Andrew T Smith, Anna Marie LaChance, Songshan Zeng, Bin Liu, Luyi Sun, “Synthesis, properties, and applications of graphene oxide/reduced graphene oxide and their nanocomposites”, Nano Materials Science, vol 1, no 1, pp 31 – 47, 2019 [22] Marcano C Daniela, Kosynkin V Dmitry, Berlin M Jacob, Alexander Sinitskii, Zhengzong Sun, Alexander Slesarev, Alemany, Lawrence B Alemany, Wei Lu, James M Tour, “Improved Synthesis of Graphene Oxide, Mechanical Engineering and Materials Science, vol 4, no 8, pp 4806 – 4814, 2010 [23] Wei Gao, “Graphene Oxide: Reduction Recipes, Spectroscopy and Applications, The Department of Textile Engineering Chemistry & Science, College of Textiles North Carolina State University Los Alamos USA, vol 1, no 1, pp – 27, 2015 [24] Andrew T Smith, Anna Marie LaChance, Songshan Zeng, Bin Liu, Luyi Sun, “Synthesis, properties, and applications of graphene oxide/reduced graphene oxide and their nanocomposites”, Nano Materials Science, vol 1, no 1, pp 31 – 47, 2019 [25] Neeraj Sharma, Stuti Tomar, Mohd Shkir, Ravi Kant Choubey, Arun Singh, “Study of Optical and Electrical Properties of Graphene Oxide”, Materials Today: Proceedings, vol 36, no 3, pp – 6, 2020 [26] Lizhao Liu, Junfeng Zhang, Jijun Zhao and Feng Liuc, “Mechanical properties of graphene oxides”, The Royal Society of Chemistry, vol 4, no 2, pp 5910 – 5916, 2012 [27] Perreault, De Faria, and Elimelech, “Environmental applications of graphene-based nanomaterials”, Chemical Society Reviews, vol 44, no 16, pp 5861 – 5896, 2015 66 [28] Smith, Andrew, LaChance, Anna Marie, “Synthesis, properties, and applications of graphene oxide/reduced graphene oxide and their nanocomposites”, Nano Materials Science, vol 1, no 1, pp.6 – 17, 2019 [29] K Satoh, “Encyclopedia of Polymeric Nanomaterials: Poly (vinyl alcohol) (PVA)”, Department of Applied Chemistry, Graduate School of Engineering, Nagoya University, Nagoya, Japan, pp 1734 – 1738, 2015 [30] F L Marten, “Vinyl alcohol polymers”, Kirk‐Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, vol 24, no 4, pp 458 – 475, 2000 [31] E Ogur, “Polyvinyl Alchol: Materials, Processing and Applications”, Smithers Rapra Technology, vol 16, no 12, pp – 10, 2015 [32] Hallensleben, Manfred L, “Polyvinyl Compounds, Others”, Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, pp 605-609, 2000 [33] Kwang-Je Kim, Soo-Bok Lee and Neung-Won Han, “Kinetics of crosslinking reaction of PVA membrane with glutaraldehyde”, Korean Journal of Chemical Engineering, vol 11, no 1, pp 41–47, 1994 [34] Joaquim Chico, Frederique, Holthoon Tina Zuidema, “Ion Suppression Study for Tetracyclines in Feed”, Chromatography Research International, vol 2, no 1, pp – 9, 2012 [35] R Daghrir, P Drogui, “Tetracycline antibiotics in the environment: a review”, Environmental chemistry letters, vol 11, no 3, pp 209–227, 2013 [36] Qiufang Yao, Bitao Fan, Ye Xiong, Chunde Jin, Qingfeng Sun & Chengmin Sheng, “3D assembly based on 2D structure of cellulose nanofibril/graphene oxide hybrid aerogel for adsorptive removal of antibiotics in water”, Scientific reports, 7(1), pp – 3, 2017 [37] N S Lani, N Ngadi, A Johari, M Jusoh, “Isolation, Characterization, and Application of Nanocellulose from Oil Palm Empty Fruit Bunch Fiber as Nanocomposites”, Journal of Nanomaterials, 2014(3), pp 1–9, 2014 67 [38] Arup Mandal, Debabrata Chakrabarty, “Isolation of nanocellulose from waste sugarcane bagasse (SCB) and its characterization”, Carbohydrate Polymers, 86(3), 1291–1299, 2011 [38] Juan I Morán, Vera A Alvarez, Viviana P Cyras, Analia Vázquez, “Extraction of cellulose and preparation of nanocellulose from sisal fibers”, Research Institute of Material Science and Technology, 15(1), pp 149–159, 2008 [40] Lavin-Lopez, M D P., Romero, A., Garrido, J., Sanchez-Silva, L., & Valverde, J L, “Influence of different improved hummers method modifications on the characteristics of graphite oxide in order to make a more easily scalable method”, Industrial & Engineering Chemistry Research, 55(50), pp 12836-12847, 2016 [41] Thommes, M Kaneko, K Neimark, A Olivier, J Rodriguez-Reinoso, F Rouquerol, “Physisorption of gases, with special reference to the evaluation of surface area and pore size distribution (IUPAC Technical Report)”, Pure and applied chemistry, 87(9-10), pp 1051-1069, 2015 68 PHỤ LỤC ❖ Nhiễu xạ tia X (XRD) CNF Graphite 69 Graphene oxide NaHCO3 70 Aerogel CNF/GO/PVA Aerogel CNF/GO/PVA/NaHCO3 71 ❖ Phổ FTIR Aerogel CNF/GO/PVA/NaHCO3 ❖ Giản đồ TGA DSC Mẫu Cell 72 CNF Graphene oxide 73 Aerogel CNF/GO/PVA Aerogel CNF/GO/PVA/NaHCO3 74 ❖ BET Đường đẳng nhiệt hấp phụ giải hấp aerogel CNF/GO/PVA Phân bố kích thước mao quản aerogel CNF/GO/PVA 75 Đường đẳng nhiệt hấp phụ aerogel CNF/GO/PVA/NaHCO3 Phân bố kích thước mao quản erogel CNF/GO/PVA/NaHCO3 76 S K L 0