Nghiên cứu chế tạo tinh thể cellulose từ nguyên liệu vỏ trấu ứng dụng trong xử lý ion kim loại nặng

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 TINH THỂ CELLULOSE TỪ NGUYÊN LIỆU VỎ TRẤU ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ ION KIM LOẠI NẶNG GVHD: TS NGUYỄN VŨ VIỆT LINH SVTH: NGUYỄN NGỌC TRÀ MY SKL011619 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 TINH THỂ CELLULOSE TỪ NGUYÊN LIỆU VỎ TRẤU ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ ION KIM LOẠI NẶNG SVTH: NGUYỄN NGỌC TRÀ MY MSSV: 17128041 GVHD: TS NGUYỄN VŨ VIỆT LINH Tp Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2021 Giảng viên phản biện TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC VÀ THỰC PHẨM BỘ MƠN CƠNG NGHỆ HĨA HỌC NHIỆM VỤ KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Nguyễn Ngọc Trà My MSSV: 17128041 Ngành: Cơng nghệ Kỹ thuật Hóa học Chun ngành: Cơng nghệ Kỹ thuật hố Polymer Tên khóa luận: Nghiên cứu chế tạo tinh thể cellulose từ nguyên liệu vỏ trấu ứng dụng xử lý ion kim loại nặng Nhiệm vụ khóa luận: Nghiên cứu chế tạo tinh thể cellulose (nano – microcrystal cellulose), chế tạo màng nanocomposite sở tinh thể cellulose polyvinyl alcohol (PVA), ứng dụng màng nanocomposite xử lý ion kim loại nặng (Cu2+) Ngày giao nhiệm vụ khóa luận: 01/03/2021 Ngày hồn thành khóa luận: 03/12/2021 Họ tên người hướng dẫn: TS Nguyễn Vũ Việt Linh Nội dung hướng dẫn: • Tổng quan tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu • Chế tạo tinh thể cellulose (nano – microcrystal cellulose) từ nguồn nguyên liệu vỏ trấu; khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến q trình xử lý tính chất sản phẩm • Đánh giá tính chất tinh thể cellulose kính hiển vi điện tử quét (SEM), tán xạ tia X (XRD), phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) • Đánh giá khả ứng dụng màng nanocomposite sở tinh thể cellulose PVA xử lý ion kim loại nặng Nội dung yêu cầu khóa luận tốt nghiệp thông qua Trưởng Bộ mơn Cơng nghệ Hóa học Tp Hồ Chí Minh, ngày 11 tháng 12 năm 2021 TRƯỞNG BỘ MÔN NGƯỜI HƯỚNG DẪN TĨM TẮT Đề tài tiến hành phịng thí nghiệm Hóa Polyme - Khoa Cơng nghệ Hóa Học & Thực phẩm: “Nghiên cứu chế tạo tinh thể cellulose từ nguyên liệu vỏ trấu ứng dụng xử lý ion kim loại nặng”, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM thời gian từ 01/03/2021 đến 03/12/2021 Trong nghiên cứu này, tinh thể cellulose điều chế từ nguyên liệu vỏ trấu trước kết hợp với PVA để tạo màng Các yếu tố khảo sát trình thực nghiệm nồng độ NaOH thời gian thực giai đoạn tẩy trắng lần 1, thời gian thủy phân axit, tỉ lệ cellulose/H2SO4, thời gian xử lý siêu âm trước tạo tinh thể cellulose Sau chế tạo tinh thể cellulose kết hợp với polyvinyl alcohol tạo thành màng theo tỉ lệ khối lượng khác (2%, 4%, 6%, 10%) đem màng hấp phụ ion Cu2+ (200 ppm) ghi nhận lại kết i LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành khóa luận đề tài “Nghiên cứu chế tạo tinh thể cellulose từ nguyên liệu vỏ trấu ứng dụng xử lý ion kim loại nặng”, xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban lãnh đạo, tồn thể thầy Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, khoa Cơng nghệ Hóa học & Thực phẩm tạo điều kiện sở vật chất với phịng thí nghiệm đại thuận lợi cho việc nghiên cứu Tôi xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới thầy cô mơn Cơng nghệ Hóa học, truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho cho suốt thời gian tơi theo học hồn thành khóa luận Tiếp theo, tơi xin cám ơn cán quản lý phịng thí nghiệm giúp đỡ tạo điều kiện tốt để tơi thực khóa luận Đặc biệt, xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS Nguyễn Vũ Việt Linh người trực tiếp hướng dẫn, bảo tận tình giúp đỡ tơi nhiều q trình làm khóa luận tốt nghiệp Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, người thân, bạn bè lớp 17128P chia sẻ, giúp đỡ động viên suốt thời gian qua Xin chân thành cảm ơn! TP Thủ Đức, ngày 11 tháng 12 năm 2021 Sinh viên thực Nguyễn Ngọc Trà My ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan tồn nội dung trình bày Khóa luận tốt nghiệp “Nghiên cứu chế tạo tinh thể cellulose từ nguyên liệu vỏ trấu ứng dụng xử lý ion kim loại nặng” thực hướng dẫn TS Nguyễn Vũ Việt Linh, tất tài liệu tham khảo trích dẫn đầy đủ xác Các số liệu luận văn tơi tiến hành, tính tốn, số thơng tin trích dẫn luận văn rõ nguồn gốc Tơi xin cam đoan q trình thực nghiệm thực quy trình kết theo thực nghiệm Các số liệu kết luận văn tốt nghiệp thuộc quyền sở hữu giảng viên hướng dẫn TP Thủ Đức, 11 ngày tháng 12 năm 2021 Sinh viên thực Nguyễn Ngọc Trà My iii MỤC LỤC TÓM TẮT i LỜI CẢM ƠN ii LỜI CAM ĐOAN ii MỤC LỤC iv DANH MỤC HÌNH vii DANH MỤC BẢNG x DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT xi MỞ ĐẦU xii TỔNG QUAN 1.1 Tình hình nghiên cứu 1.2 Tổng quát nguồn nguyên liệu cellulose 1.2.1 Cellulose nguồn nguyên liệu thiên nhiên 1.2.2 Nguyên liệu vỏ trấu 1.3 Tổng quan tinh thể cellulose (cellulose crystal) 1.3.1 Thành phần sợi thiên nhiên 1.3.2 Phân loại 1.3.3 Tính chất 12 1.3.4 Phương pháp chế tạo 16 1.3.5 Ứng dụng 18 1.4 Nanocomposite sở tinh thể cellulose polyme ứng dụng xử lý ion kim loại nặng 24 1.4.1 Nanocomposite từ tinh thể cellulose 24 1.4.2 Đặc tính nanocomposite từ tinh thể cellulose 26 iv 1.4.3 Vật liệu nanocomposite dựa tinh thể cellulose ứng dụng xử lý ion kim loại nặng 27 THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 32 2.1 Nguyên liệu hóa chất 32 2.2 Dụng cụ thiết bị 33 2.3 Quy trình chế tạo CNC từ vỏ trấu 34 2.3.1 Giai đoạn tiền xử lý nguyên liệu 34 2.3.2 Giai đoạn chiết xuất cellulose từ bột vỏ trấu thủy phân tạo CNC 34 2.4 Quy trình chế tạo màng nanocomposite 36 2.5 Các phương pháp nghiên cứu 38 2.5.1 Phương pháp đông khô 38 2.5.2 Phương pháp phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) 39 2.5.3 Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) 40 2.5.4 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 40 2.5.5 Phương pháp tán xạ ánh sáng (DLS) 41 2.5.6 Thế Zeta 42 2.5.7 Độ hấp thụ nước (WU) độ hòa tan (WS) 42 2.5.8 - Vis Nghiên cứu hấp phụ ion kim loại phương pháp quang phổ hấp thụ UV 43 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 45 3.1 Khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến hình thái sợi chế tạo từ vỏ trấu 45 3.1.1 Giai đoạn tẩy trắng lần 45 3.1.2 Giai đoạn thủy phân axit 48 3.1.3 Giai đoạn siêu âm 51 3.2 Đánh giá hình thái cấu trúc tinh thể cellulose 54 v 3.2.1 Phân tích hình thái SEM 54 3.2.2 Phân tích FTIR 57 3.2.3 Phân tích XRD 59 3.2.4 Phân tích DLS 61 3.2.5 Thế Zeta 62 3.3 Màng nanocomposite PVA/CNC 63 3.3.1 Hình thái màng PVA nanocomposite PVA/CNC 63 3.3.2 Độ hòa tan độ hấp thụ nước màng 64 3.3.3 Khảo sát khả hấp phụ ion kim loại Cu2+ màng PVA/CNC 66 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO 70 PHỤ LỤC 75 vi DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Các nguồn ngun liệu chiết xuất cellulose [3] Hình 1.2 Vỏ trấu Hình 1.3 Cấu trúc phân cấp cellulose [7] Hình 1.4 Cơng thức phân tử cellulose Hình 1.5 Cấu tạo sợi cellulose phân lập CNC CNF từ sợi cellulose [7] 10 Hình 1.6 Ảnh TEM CNF – CMF [14] 11 Hình 1.7 Ở số nồng độ định, tinh thể nano tự tổ chức thành trật tự nematic bất đối độ dài khe hở (p) cấu trúc xoắn ốc hấp thụ bước sóng khác phát bước sóng có màu sắc khác [18] 14 Hình 1.8 Một số ứng dụng CNC [17] 18 Hình 1.9 Biểu diễn giản đồ trình hấp phụ lên chất hấp phụ rắn [21] 20 Hình 1.10 Cơng thức phân tử PVA 27 Hình 1.11 Sơ đồ biểu diễn chế hấp phụ ion kim loại CNC [38] 30 Hình 2.1 Sơ đồ quy trình tiền xử lý nguyên liệu từ vỏ trấu thành bột trấu 34 Hình 2.2 Sơ đồ quy trình lập cellulose từ bột trấu thủy phân tạo CNC 35 Hình 2.3 Sơ đồ mơ tả bước tiền xử lý vỏ trấu, chiết xuất cellulose, trình thủy phân axit sản xuất CNC 36 Hình 2.4 Sơ đồ quy trình chế tạo màng nanocomposite sở CNC/PVA 37 Hình 2.5 Sơ đồ trình sản xuất màng PVA gia cố CNC (nanocomposite) 37 Hình 2.6 Máy sấy đơng khơ (sấy thăng hoa) Biobase BK-FD12S 38 Hình 2.7 Máy FTIR Jasco 4600 39 Hình 2.8 Máy SEM Hitachi TM4000 Plus 40 Hình 2.9 Máy XRD PANalytical Empyrean 41 vii PL2.4 Mẫu CNC 82 Phụ lục Kết SEM PL3.1 Ảnh SEM mẫu bột trấu: (a) trước tẩy trắng lần mẫu tẩy trắng thời gian khác (b) S4, (c) S5, (d) S6 83 PL3.2 Ảnh SEM mẫu bột trấu: (a) trước tẩy trắng lần 1, mẫu tẩy trắng nồng độ NaOH khác (b) S6-0,1, (c) S6-0,5, (d) S6-1 84 PL3.3 Ảnh SEM mẫu khảo sát thời gian thủy phân H2SO4: (a) S6-1-45, (b) S6-1-75, (c) S6-1-105 85 PL3.4 Ảnh SEM mẫu khảo sát tỉ lệ cellulose/H2SO4: (a) S6-1-105-20, (b) S6-1-10515, (c) S6-1-105-10 86 PL3.5 Ảnh SEM mẫu khảo sát thời gian siêu âm: (a) S6-1-105-90, (b) S6-1-105-60, (c) S6-1-105-30 87 PL3.6 Ảnh chụp SEM mẫu: (a) Vỏ trấu thô, (b) Xử lý kiềm, (c) Sau tẩy trắng PL3.7 Ảnh FESEM CNC (tẩy trắng lần giờ, nồng độ NaOH 1%, tỉ lệ cellulose/H2SO4 1/20, thời gian thủy phân 105 phút, thời gian siêu âm 90 phút) 88 PL3.8 Ảnh SEM mẫu màng: (a) PVA, (b) PVA/CNC 2%, (c) PVA/CNC 4%, (d) PVA/CNC 6%, (e) PVA/CNC 10% 89 Phụ lục Kết DLS CNC PL 4.1 Đồ thị phân bố kích thước hạt CNC 90 PL4.2 Kích thước hạt trung bình CNC 91 Phụ lục Kết Zeta CNC 92 Phụ lục Xây dựng đường chuẩn PL6.1 Bảng số liệu xây dựng đường chuẩn đồng (II) sulfat Nồng độ Cu2+ (ppm) 1500 1000 500 200 100 50 25 Độ hấp thu (Abs) 0.0707 0.0497 0.0236 0.0101 0.0064 0.0035 0.0003 0.08 y = 5E-05x + 0.0006 R² = 0.9982 0.07 Độ hấp thu (Abs) 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0 200 400 600 800 1000 Nồng độ Cu2+ (ppm) PL6.2 Đồ thị đường chuẩn Cu2+ 93 1200 1400 1600 Phụ lục Bảng kết khảo sát khả loại bỏ ion Cu2+ mẫu màng theo thời gian Thời gian (giờ) PVA 12 18 24 0,00 28,20 34,50 37,30 40,60 44,90 47,70 47,70 47,70 R% PVA/CNC 4% 0,00 23,70 26,50 34,30 43,50 47,60 56,60 56,60 56,60 PVA/CNC 2% 0,00 27,60 31,00 34,40 43,90 46,70 48,90 48,90 48,90 94 PVA/CNC 6% 0,00 20,80 23,80 31,90 42,40 47,80 62,70 62,70 62,70 PVA/CNC 10% 0,00 17,40 23,30 29,00 41,30 48,40 63,60 63,60 63,60 Phụ lục Bảng kết khảo sát độ ẩm, độ hấp thu, độ hòa tan mẫu màng Mẫu Độ hấp thu nước (%) Độ hòa tan (%) PVA PVA/CNC 2% PVA/CNC 4% PVA/CNC 6% PVA/CNC 10% 2128.070 1122.310 78.540 1054.699 1240.400 54.014 41.554 29.419 38.841 42.846 95 S K L 0