Nghiên cứu chế tạo aerogel từ nanocellulose và graphene oxide trên nền polyvinyl alcohol hướng dẫn tới xử lý nước nhiễm kháng sinh

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 CHẾ TẠO AEROGEL TỪ NANOCELLULOSE VÀ GRAPHENE OXIDE TRÊN NỀN POLY VINYL ALCOHOLHƯỚNG TỚI XỬ LÝNƯỚC NHIỄM KHÁNG SINH GVHD: TH.S NGUYỄN TƯỜNG VY SVTH: HUỲNH THỊ BICH PHƯỢNG SKL010108 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 ĐẠI HỌC NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO AEROGEL TỪ NANOCELLULOSE VÀ GRAPHENE OXIDE TRÊN NỀN POLY VINYL ALCOHOL HƯỚNG TỚI XỬ LÝ NƯỚC NHIỄM KHÁNG SINH SVTH: HUỲNH THỊ BÍCH PHƯỢNG MSSV: 17128054 GVHD: TH.S NGUYỄN TƯỜNG VY Tp Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2021 KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC VÀ THỰC PHẨM BỘ MƠN CƠNG NGHỆ HĨA HỌC NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Huỳnh Thị Bích Phượng MSSV: 17128054 Ngành: Cơng nghệ Kỹ thuật Hóa học Chuyên ngành: Hóa Polymer Tên khóa luận: Nghiên cứu chế tạo aerogel từ nanocellulose graphene oxide polyvinyl alcohol hướng tới ứng dụng xử lý nước nhiễm kháng sinh Nhiệm vụ khóa luận: − Tách chiết thành công nanocellulose từ cuống dừa nước Việt Nam kích thước nanomet − Chế tạo aerogel CNF, aerogel CNF/GO aerogel CNF/GO/PVA kĩ thuật đông khô − Khảo sát khả hấp phụ kháng sinh tetracycline aerogel tạo thành − Phân tích đặc tính hấp phụ động học hấp phụ aerogel CNF/GO/PVA Ngày giao nhiệm vụ khóa luận: 20/01/2021 Ngày hồn thành khóa luận: 1/12/2021 Họ tên người hướng dẫn: Th.S Nguyễn Tường Vy Nội dung hướng dẫn: Nội dung yêu cầu khóa luận tốt nghiệp thông qua Trưởng Bộ mơn Cơng nghệ Hóa học Tp.HCM, ngày TRƯỞNG BỘ MƠN tháng năm 2021 NGƯỜI HƯỚNG DẪN TÓM TẮT KHÓA LUẬN Hấp phụ kháng sinh môi trường nước lĩnh vực quan tâm Aerogel chế tạo từ nanocellulose (CNF) graphene oxide (GO) polyvinyl alcohol (PVA) hướng tới ứng dụng xử lý nước thải nhiễm kháng sinh tetracyclin Trong khóa luận này, tiến hành tách chiết nanocellulose từ cuống dừa nước thông qua xử lý sơ xử lý kiềm Đường kính trung bình sợi CNF 28,93 nm độ kết tinh đạt 71,24% Đồng thời tổng hợp graphene oxide từ graphite phương pháp Hummer cải tiến GO sau tổng hợp xong có khoảng cách lớp khoảng 0,807 nm Bên cạnh đó, chúng tơi chế tạo aerogel từ CNF, GO, PVA phương pháp trộn hợp kết hợp với khâu mạng glutaradehyde, sau sấy đơng khơ − 48C 24 Aerogel tạo thành có độ xốp đạt 98,83% dung lượng hấp phụ tetracycline tối đa 51,596 mg  g−1 nhiệt độ phòng với nồng độ 20 mgL−1 Cấu trúc tính chất aerogel khảo sát thông qua phương pháp SEM, TGA, XRD, FT − IR đo độ hấp phụ kháng sinh phương pháp UV – Vis LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý thầy, cô trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh dạy dỗ truyền đạt cho tơi kiến thức quý báu trình học tập Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến 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 giúp đỡ tơi suốt q trình thực khóa luận Cảm ơn cô tâm huyết dẫn góp ý để tơi hồn thành khóa luận Bên cạnh đó, tơi gửi lời cảm ơn chân thành đến bạn Văn Thị Châu Linh cộng tác với tơi thời gian đầu khóa luận Trân trọng cảm ơn Khoa Cơng Nghệ Hóa học Thực phẩm trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh tạo điều kiện thuận lợi Đặc biệt, xin cảm ơn thầy Huỳnh Nguyễn Anh Tuấn thầy Nguyễn Vinh Tiến tận tình giúp đỡ q trình thực khóa luận Mặc dù cố gắng nhiều, nhiên kinh nghiệm kiến thức hạn chế nên khó tránh khỏi nhiều thiếu sót báo cáo Kính mong nhận đóng góp ý kiến quý thầy để khóa luận hồn thiện Tơi xin chân thành cảm ơn! ii LỜI CAM ĐOAN Khóa luận tốt nghiệp nghiên cứu cá nhân chúng tôi, hướng dẫn trực tiếp Th.S Nguyễn Tường Vy giảng viên khoa Khoa học Công nghệ vật liệu trường Đại học Khoa học tự nhiên − ĐHQG TP HCM Chúng xin cam đoan số liệu cơng trình chúng tơi thực xin hồn tồn chịu trách nhiệm Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 12 năm 2021 Huỳnh Thị Bích Phượng iii MỤC LỤC TĨM TẮT KHÓA LUẬN iv LỜI CẢM ƠN ii LỜI CAM ĐOAN iii MỤC LỤC iv DANH MỤC BẢNG vii DANH MỤC HÌNH viii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT x MỞ ĐẦU xi Tính cấp thiết mục tiêu nghiên cứu xi Đối tượng phạm vi nghiên cứu xii Phương pháp nghiên cứu xii Ý nghĩa khoa học thực tiễn .xiii Bố cục khóa luận xiii CHƯƠNG 1: KIẾN THỨC TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu 1.1.1 Tình hình nước 1.1.2 Tình hình ngồi nước .1 1.2 Sơ lược aerogel 1.2.1 Giới thiệu 1.2.2 Phương pháp tổng hợp 1.2.3 Ứng dụng 1.3 Cơ sở lý thuyết dừa nước 1.3.1 Sơ lược dừa nước 1.3.2 Các thành phần hóa học dừa nước 1.4 Nanocellulose 1.4.1 Giới thiệu nanocellulose 1.4.2 Phân loại nanocellulose 1.4.3 Tính chất nanocellulose 10 1.4.4 Ứng dụng nanocellulose 11 1.5 Graphene oxide 12 iv 1.5.1 Giới thiệu graphene oxide 12 1.5.2 Tính chất graphene oxide 13 1.5.3 Ứng dụng graphene oxide 14 1.6 Polyvinyl alcohol 15 1.6.1 Giới thiệu polyvinyl alcohol 15 1.6.2 Tính chất polyvinyl alcohol 16 1.6.3 Ứng dụng polyvinyl alcohol 20 1.7 Sơ lược kháng sinh tetracycline .20 CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .22 2.1 Hóa chất thiết bị 22 2.1.1 Hóa chất 22 2.1.2 Thiết bị 23 2.2 Các phương pháp phân tích đánh giá 23 2.2.1 Kính hiển vi điện tử quét (SEM) 23 2.2.2 Nhiễu xạ tia X (XRD) 24 2.2.3 Phương pháp quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT – IR) 24 2.2.4 Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) 25 2.2.5 Phổ hấp thu tử ngoại khả kiến (UV – VIS) 25 2.2.6 Đánh giá mật độ độ xốp aerogel 25 2.2.7 Đánh giá khả hấp phụ 26 2.2.8 Đẳng nhiệt giải hấp – hấp phụ N2 27 2.3 Quy trình thực 27 2.3.1 Quy trình tổng hợp nanocellulose 27 2.3.2 Quy trình tổng hợp graphene oxide .31 2.3.3 Quy trình chế tạo aerogel CNF/GO/PVA 32 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 34 3.1 Kết tổng hợp cellulose nanofibers 34 3.1.1 Phân tích kính hiển vi điện tử quét (SEM) 34 3.1.2 Phân tích phổ hồng ngoại biển đổi Fourier 35 3.1.3 Phân tích nhiễu xạ tia X .37 3.1.4 Phân tích nhiệt trọng lượng 39 v 3.2 Kết tổng hợp graphene oxide .40 3.2.1 Phân tích phổ hồng ngoại biển đổi Fourier 40 3.2.2 Phân tích nhiễu xạ tia X .41 3.2.3 Phân tích nhiệt trọng lượng 42 3.3 Kết tổng hợp vật liệu aerogel .43 3.3.1 Hình thái vật liệu aerogel 43 3.3.2 Cấu trúc vật liệu aerogel 46 3.3.3 Tính chất nhiệt vật liệu aerogel 47 3.3.4 Đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ N2 aerogel CNF/GO/PVA 49 3.3.5 Khả hấp phụ vật liệu aerogel 50 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 PHỤ LỤC 59 vi DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Thành phần hóa học phận dừa nước (% khối lượng) Bảng 1.2 Tính chất vật lý PVA 16 Bảng 2.1 Bảng thống kê hóa chất……………………………………………… 22 Bảng 3.1 Đặc điểm phân hủy nhiệt CNF Cell…………………………………40 Bảng 3.2 Đặc điểm phân hủy nhiệt GO………………………………………… 43 Bảng 3.3 Mật độ độ xốp aerogel CNF, aerogel CNF/GO aerogel CNF/GO/PVA……………………………………………………………………… 45 Bảng 3.4 Đặc điểm phân hủy nhiệt aerogel………………………………… 48 Bảng 3.5 Số liệu đường chuẩn tetracycline………………………………………… 50 Bảng 3.6 Khả hấp phụ aerogel CNF/GO/PVA sau 24 nhiệt độ phòng nồng độ 20 mgL-1……………………………………………………………………50 Bảng 3.7 Số liệu thực nghiệm động học hấp phụ tetracycline mẫu aerogel theo thời gian………………………………………………………………………….51 Bảng 3.8 Số liệu thực nghiệm động học hấp phụ……………………………… 53 Bảng 3.9 Đặc tính động học biểu kiến bậc bậc hai trình hấp phụ TC aerogel CNF/GO/PVA…………… .………………………………… ……54 vii KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ  Kết luận Đề tài thành công việc tách chiết vi sợi nanocellulose từ cuống dừa tổng hợp graphene oxide chế vật liệu aerogel có cấu trúc khơng gian ba chiều, siêu nhẹ có độ xốp cao hướng đến ứng dụng xử lý nước nhiễm kháng sinh Sau đây, rút số kết luận sau: Bằng phương pháp xử lý kết hợp xử lý kiềm chế tẩy trắng hai lần loại bỏ hầu hết thành phần tạp chất sợi chế tạo từ bẹ dừa nước đồng thời chiết xuất sợi nanocellulose có đường kính kích thước 28,93 nm Nanocellulose tạo thành kết hợp với graphene oxide (khoảng cách lớp khoảng 0,807 nm tổng hợp phương pháp Hummer polyvinyl alcohol khâu mạng Glutaradehyde tạo thành aerogel Aerogel CNF/GO/PVA tạo thành có độ xốp đạt 98,83%, có dung lượng hấp phụ tetracycline tối đa 51,596 mgg−1 nhiệt độ phòng với nồng độ 20 mgL−1  Kiến nghị Do giới hạn số yếu tố khách quan mà đề tài chưa hồn thiện Chúng tơi đề số hướng phát triển tiếp cho đề tài: − Khảo sát thêm kết đo hấp phụ TC aerogel CNF/GO/PVA nồng độ khác để hoàn thiện số liệu − Khảo sát khả thu hồi tái sử dụng aerogel CNF/GO/PVA − Khảo sát thêm khả hấp phụ số chất thải hữu khác ngành nhuộm methyl cam, kim loại nặng… − Khảo sát mật độ khâu mạng aerogel CNF/GO/PVA 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] S Liu et al "Ultra-high adsorption of tetracycline antibiotics on garlic skinderived porous biomass carbon with high surface area," New Journal of Chemistry, pp 1097 − 1106, 2020 Q Yao et al "3D assembly based on 2D structure of Cellulose Nanofibril/ Graphene Oxide Hybrid Aerogel for Adsorptive Removal of Antibiotics in Water," Scientific Reports, vol 7, no.1, 2017 D D Nguyen et al."Micron-Size White Bamboo Fibril-Based Silane Cellulose Aerogel: Fabrication and Oil Absorbent Characteristics," Materials, vol 12, no 9, 2019 J Wang et al "One-Step Preparation of Graphene Oxide/Cellulose Nanofibril Hybrid Aerogel for Adsorptive Removal of Four Kinds of Antibiotics," Journal of Nanomaterials, vol 2017, 2017 L Zhou et al."Anisotropic Cellulose Nanofibers/Polyvinyl Alcohol/Graphene Aerogels Fabricated by Directional Freeze-drying as Effective Oil Adsorbents," vol 11, no.4, 2019 S Salimian et al."A review on aerogel: 3D nanoporous structured fillers in polymer-based nanocomposites," Polymer Composites, 2017 Q Liu et al "Recent advances in novel aerogels through the hybrid aggregation of inorganic nanomaterials and polymeric fibers for thermal insulation " Aggregate, vol 2, no 2, 2021 N P Duong and T H Nguyen, "Xu hướng nghiên cứu ứng dụng aerogel lĩnh vực xây dựng," Báo cáo phân tích xu hướng công nghệ, trung tâm thông tin thống kê khoa học công nghệ, pp – 22, 2018 H Đ L Ngo, et al "Khai thác chế biến sản phẩm từ dịch nhựa dừa nước," Tạp chí Chuyển giao công nghệ, pp 24 − 27, 2016 Thanh Thủy, " “Độc đáo” dừa nước miền Tây", Điểm hẹn du lịch online T Budtova et al "Biorefinery Approach for Aerogels, " Polymer, vol.12, no.12, 2020 P Tamunaidu and S Saka, "Chemical characterization of various parts of nipa palm (Nypa fruticans)," Industrial Crops and Products, vol 34, no 3, pp 1423 − 1428, 2011 J L Wertz et al "Hemicelluloses and Lignin in Biorefineries," Green chemistry and chemical engineering, pp 52 − 158 N Lin and A Dufresne, " Nanocellulose in biomedicine: Current status and future prospect " European Polymer Journal, vol 59, pp 302–325, 2014 P Phanthong et al."Nanocellulose: Extraction and application," Carbon Resources Conversion, vol 1, no 1, pp 32 − 43, 2018 T T T Le and V H Tran, "Đặc điểm hoa phát triển trái dừa nước (IMypa fruticans Wurmb) vùng nước mặn, lợ Đồng sông Cửu Long," Khoa học công nghệ, Nông nghiệp phát triển nông thôn, pp 50 – 53, 2014 M Rajinipriya et al "Importance of Agricultural and Industrial Waste in the Field of Nanocellulose and Recent Industrial Developments of Wood Based 56 [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] Nanocellulose: A Review," ACS Sustainable Chemistry Engineering, pp 2807 – 2828, 2018 D Klemm et al "Nanocellulose as a natural source for groundbreaking applications in materials science: Today’s state," Materials Today, vol 21, no 7, pp 720 − 748, 2018 A Guo et al "A Review on the Application of Nanocellulose in Cementitious Materials, " Nanomaterials, vol 10, no 12, 2020 B Thomas et al "Nanocellulose, a Versatile Green Platform: From Biosources to Materials and Their Applications," Chemical reviews, vol 118, no 24, pp 11575 – 11625, 2018 R K Mishra et al "Materials chemistry and the futurist eco-friendly applications of nanocellulose: Status and prospect," Journal of Saudi Chemical Society, vol 22, no 8, pp 949 − 978, 2018 R J Moon et al "Cellulose nanomaterials review: structure, properties and nanocomposites," Chemical Society Reviews, vol 40, no 7, pp 3941-3994, 2011 S Mateo et al "Nanocellulose from Agricultural Wastes: Products and Applications—A Review, " Processes, vol 9, no 9, 2021 R K Singh et al "Graphene oxide: strategies for synthesis, reduction and frontier applications," RSC Advances, vol 6, no 69, pp 64993 − 65011, 2016 T Smith, et al "Synthesis, properties, and applications of graphene oxide/reduced graphene oxide and their nanocomposites," Nano Materials Science, vol 1, no 1, pp 31 − 47, 2019 V K Tran, "Structural and optical properties of graphene synthesized via chemical reduction process of exfoliated graphene oxide, " Tạp chí Cơng Thương - Các kết nghiên cứu khoa học ứng dụng công nghệ, no 11, 2020 C B Kim et al "Thermal conductivity enhancement of reduced graphene oxide via chemical defect healing for efficient heat dissipation," Carbon, pp 386 – 392, 2018 X Huang, et al "Physical properties and device applications of graphene oxide," Frontiers of Physics, vol 15, no 3, 2020 T Dideikin and A Y Vul, "Graphene Oxide and Derivatives: The Place in Graphene Family," Frontiers of Physics, 2019 T S Gaaz, et al "Properties and Applications of Polyvinyl Alcohol, Halloysite Nanotubes and Their Nanocomposites," Molecules, vol 20, no 12, pp 22833 − 22847, 2015 V K Nguyen, "Polyme ưa nước hóa học ứng dụng, " Nhà xuất khoa học tự nhiên công nghệ, 2007 F L Marten, "Vinyl alcohol polymers," Kirk‐Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, 2000 K Satoh, "Poly(vinyl alcohol) (PVA)," Encyclopedia of Polymeric Nanomaterials, " pp – 6, 2014 R V Gadhave et al "Effect of glutaraldehyde on thermal and mechanical properties of starch and polyvinyl alcohol blends," Des Monomers Polyme, vol 22 no.1, pp 164 – 170, 2019 57 [35] [36] [37] [38] [39] [40] R Daghrir & P Drogui "Tetracycline antibiotics in the environment: a review," Environmental Chemistry Letters, vol 11, no 3, pp 209 – 227, 2013 H Yang et al "Characteristics of hemicellulose, cellulose and lignin pyrolysis" Fuel, vol 86, no.12-13, pp 1781 − 1788, 2007 L Zhou et al "Anisotropic cellulose nanofibers/polyvinyl alcohol/graphene aerogels fabricated by directional freeze-drying as effective oil adsorbents" Polymers, vol.11, no 4, pp – 15, 2019 M Li et al "Preparation and characterization of cellulose nanofibers from depectinated sugar beet pulp," Carbohydrate Polymers, vol 102, pp 136 – 143, 2014 S Park et al "Cellulose crystallinity index: measurement techniques and their impact on interpreting cellulase performance," Biotechnology for Biofuels, vol 3, 2010 T V Nguyen et al "Preparation and characterization of graphene oxide and cellulose nanofibers/ polyvinyl alcohol nanocomposite film," Science and technology development journal - natural sciences, vol 5, no 3, pp 1350 – 1364, 2021 58 PHỤ LỤC Phổ FTIR Hình Phổ FTIR sợi thơ Hình Phổ FTIR CNF 59 Hình Phổ FTIR GO Hình Phổ FTIR graphite 60 Hình Phổ FTIR PVA Hình Phổ FTIR aerogel CNF/GO 61 Giản đồ XRD Hình Phổ FTIR aerogel CNF/GO/PVA Hình Giản đồ XRD mẫu sợi thơ 62 Hình Giản đồ XRD CNF Hình 10 Giản đồ XRD Graphene Oxide Hình 11 Giản đồ XRD graphite 63 Giản đồ TGA Hình 12 Giản đồ TGA mẫu sợi thơ Hình 13 Giản đồ TGA mẫu CNF 64 Hình 14 Giản đồ TGA mẫu GO Hình 15 Giản đồ TGA aerogel CNF 65 Hình 16 Giản đồ TGA aerogel CNF/GO Hình 17 Giản đồ TGA aerogel CNF/GO/PVA 66 Ảnh BET Hình 18 Đồ thị hấp phụ BET đa điểm aerogel CNF/GO/PVA Hình 19 Đường đẳng nhiệt hấp phụ giải hấp aerogel CNF/GO/PVA 67 68 S K L 0