luận văn thạc sĩ nghiên cứu chế tạo một số vật liệu có nguồn gốc tự nhiên định hướng ứng dụng xử lý nước lũ thành nước sinh hoạt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN ĐẶNG THỊ TỐ NỮ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MỘT SỐ VẬT LIỆU CÓ NGUỒN GỐC TỰ NHIÊN ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG XỬ LÝ NƯỚC LŨ THÀNH NƯỚC SINH HOẠT LUẬN ÁN TIẾN SĨ HĨA HỌC BÌNH ĐỊNH-2021 e BỢ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN ĐẶNG THỊ TỐ NỮ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MỘT SỐ VẬT LIỆU CÓ NGUỒN GỐC TỰ NHIÊN ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG XỬ LÝ NƯỚC LŨ THÀNH NƯỚC SINH HOẠT Chuyên ngành: Hóa lí thuyết Hóa lí Mã số chun ngành: 9440119 Phản biện 1: PGS TS Võ Viễn Phản biện 2: PGS TS Nguyễn Đức Vượng Phản biện 3: TS Nguyễn Minh Thông TẬP THỂ/NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS Nguyễn Phi Hùng PGS TS Cao Văn Hồng BÌNH ĐỊNH, 2021 BÌNH ĐỊNH – NĂM… e Lời cam đoan Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng hướng dẫn khoa học PGS.TS Nguyễn Phi Hùng PGS.TS Cao Văn Hoàng Tất kết luận án trung thực chưa công bố cơng trình khác TM Tập thể hướng dẫn Tác giả luận án PGS TS Nguyễn Phi Hùng Đặng Thị Tố Nữ e Lời cảm ơn Tôi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến hai Thầy hướng dẫn - PGS TS Nguyễn Phi Hùng PGS.TS Cao Văn Hồng - tận tình hướng dẫn, động viên giúp đỡ tơi suốt q trình học tập, thực nghiệm nghiên cứu hoàn thành luận án Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban giám hiệu, ban chủ nhiệm Khoa Khoa học Tự nhiên, phòng Sau đại học Trường Đại học Quy Nhơn tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành kế hoạch học tập nghiên cứu Tôi xin chân thành cảm ơn Quỹ VLIR-OUS thông qua dự án TEAM (mã số ZEIN2016PR431) – promoter dự án phía Trường Đại học Quy Nhơn gồm PGS.TS Đỗ Ngọc Mỹ, PGS TS Nguyễn Tiến Trung PGS TS Võ Viễn promoter GS Nguyễn Minh Thọ phía Bỉ - hỗ trợ kinh phí tạo điều kiện cho sang Đại học KU Leuven học tập nghiên cứu Xin chân thành cảm ơn GS Bart Van der Bruggen nhiệt tình hỗ trợ tạo điều kiện thuận lợi cho tơi suốt q trình học tập thực nghiệm nghiên cứu Bỉ Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô giáo, quý anh chị em bạn đồng nghiệp công tác Khoa Khoa học Tự nhiên, Trường Đại học Quy Nhơn anh chị em nhóm nghiên cứu GS Bart Van der Bruggen, anh chị em học tập nghiên cứu Khoa Hóa, Đại học KU Leuven tạo điều kiện tốt cho tơi suốt q trình học tập làm thực nghiệm nghiên cứu Cuối cùng, xin chân thành cảm ơn chồng hai trai, động viên tạo điều kiện thuận lợi cho học tập nghiên cứu Cảm ơn ba mẹ, tất người thân gia đình nhiệt tình động viên, tận tình giúp đỡ tơi mặt suốt thời gian học tập hoàn thành luận án Quy Nhơn, tháng năm 2021 Tác giả Đặng Thị Tố Nữ e MỤC LỤC Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt Danh mục bảng Danh mục hình vẽ, đồ thị MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục đích nghiên cứu Đối tượng phương pháp nghiên cứu Nội dung nghiên cứu luận án Những đóng góp luận án 6 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Chương I TỔNG QUAN 1.1 Thực trạng ô nhiễm môi trường nước 1.2 Sơ lược nước lũ 1.2.1 Chất rắn lơ lửng 1.2.2 Tảo 1.2.3 Vi sinh vật gây bệnh 1.2.4 Động vật đơn bào (Protozoa) 10 1.2.5 Chất hữu 10 1.2.6 Kim loại nặng 11 1.3 Màng lọc 11 1.3.1 Phân loại màng lọc 13 1.3.1.1 Phân loại theo cấu trúc màng 14 1.3.1.2 Phân loại theo trình màng động lực áp suất 15 1.3.2 Sự phân cực nồng độ tắc màng (fouling) 18 1.4 Tổng quan bã mía, cellulose cellulose acetate 19 1.4.1 Giới thiệu bã mía cellulose 19 e 1.4.2 Giới thiệu cellulose acetate 22 1.5 Dopamine, polydopamine 24 1.6 Giới thiệu nano -MnO2 Ag/MnO2 26 1.7 Một số phương pháp chế tạo màng 27 1.7.1 Phương pháp đảo pha ứng dụng chế tạo màng bất đối xứng 27 1.7.2 Phương pháp biến đổi bề mặt 30 1.8 Giới thiệu keo tụ, hạt chùm ngây số nghiên cứu keo tụ 32 1.8.1 Keo tụ 32 1.8.2 Hạt chùm ngây số nghiên cứu keo tụ 34 1.9 Giới thiệu số vấn đề nghiên cứu hấp phụ 36 1.9.1 Nghiên cứu đẳng nhiệt hấp phụ 36 1.9.2 Mơ hình động học hấp phụ 37 Chương THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 39 2.1 Hóa chất, dụng cụ thiết bị 39 2.1.1 Hóa chất 39 2.1.2 Dụng cụ thiết bị 40 2.2 Chiết tách cellulose từ bã mía xác định hàm lượng thành phần hố học 41 2.2.1 Quy trình chiết tách cellulose 41 2.2.1.1 Quy trình (cellulose thu đặt tên CE-0) 41 2.2.1.2 Quy trình (mẫu cellulose thu gọi CE-1) 42 2.2.1.3 Quy trình (cellulose thu gọi CE-2) 42 2.2.2 Xác định hàm lượng thành phần hoá học 43 2.2.2.1 Xác định hàm lượng Klason lignin 43 2.2.2.2 Xác định hàm lượng hemicellulose cellulose 43 2.3 Tổng hợp cellulose acetate xác định giá trị độ thay thế, khối lượng phân tử trung bình theo độ nhớt 44 2.3.1 Tổng hợp cellulose acetate 44 2.3.2 Xác định độ thay DS 44 e 2.3.3 Xác định độ nhớt theo phương pháp điểm đơn 45 2.4 Tổng hợp vật liệu nano MnO2 Ag/MnO2 46 2.4.1 Tổng hợp vật liệu MnO2 46 2.4.2 Tổng hợp nano Ag/MnO2 46 2.5 Điều chế biến tính màng lọc từ cellulose acetate tổng hợp dung môi DMSO 46 2.5.1 Điều chế màng bất đối xứng CAD CADA 46 2.5.2 Điều chế màng siêu lọc-hấp phụ pha trộn nano MnO2 vào ma trận polymer cellulose acetate 46 2.5.3 Biến tính bề mặt màng cellulose acetate với dopamine Ag/MnO2 47 2.6 Xác định đại lượng đặc trưng màng 49 2.6.1 Khối lượng ngắt phân tử (MWCO), kích thước lỗ xốp trung bình phân bố kích thước lỗ xốp màng 49 2.6.2 Hàm lượng nước 50 2.6.3 Thơng lượng dịng thấm, khả kháng tắc nghẽn hiệu suất phân tách BSA màng chế tạo 51 2.6.3.1 Thơng lượng dịng thấm (J) 51 2.6.3.2 Tỉ lệ thu hồi thông lượng trở lực màng 51 2.6.3.3 Hiệu suất phân tách BSA 52 2.7 Nghiên cứu khả hấp phụ Cr(VI) Pb(II) vật liệu màng 52 2.7.1 Khảo sát thời gian đạt cân hấp phụ 53 2.7.2 Khảo sát ảnh hưởng pH dung dịch 53 2.7.3 Khảo sát nồng độ ban đầu Cr(VI) Pb(II) 53 2.8 Lọc động tái sử dụng màng chế tạo với dung dịch Pb(II) 54 2.8.1 Lọc động 54 2.8.2 Nghiên cứu tái sử dụng màng 54 2.9 Khảo sát đặc tính kháng khuẩn vật liệu chế tạo theo phương pháp đếm khuẩn lạc 55 e 2.10 Nghiên cứu điều kiện tối ưu cho trình keo tụ tạo với dịch chiết hạt chùm ngây 56 2.10.1 Xác định khoảng cách que khuấy so với đáy cốc thủy tinh 56 2.10.2 Thí nghiệm xác định thể tích dịch chiết chùm ngây tối ưu 57 2.10.3 Thí nghiệm xác định tốc độ khuấy tối ưu 57 2.10.3.1 Tốc độ khuấy nhanh trì thời gian phút đầu 57 2.10.3.2 Tốc độ khuấy chậm trì sau phút đầu 57 2.11 Kết hợp tiền xử lý keo tụ dịch chiết hạt chùm ngây với siêu lọc/lọc nano áp suất thấp xử lý số mẫu nước lũ địa phương 58 2.12 Các phương pháp nghiên cứu đặc trưng vật liệu 59 2.12.1 Phương pháp phổ tán xạ lượng tia X (EDX) 59 2.12.2 Phương pháp nhiễu xạ tia Rơnghen (XRD) 59 2.12.3 Phương pháp nghiên cứu cấu trúc hình thái học vật liệu 60 2.12.4 Phương pháp phổ hồng ngoại (IR) 61 2.12.5 Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ nitơ 77K (BET) 62 2.12.6 Phương pháp phổ hấp thụ phân tử (UV-Vis) 63 2.12.7 Phương pháp đo góc thấm ướt 63 2.12.8 Phương pháp phân tích nhiệt 64 2.12.9 Phương pháp phổ quang điện tử tia X (XPS) 65 2.12.10 Phương pháp hiển vi lực nguyên tử AFM 66 2.12.11 Phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1H-NMR 66 2.12.12 Phương pháp quang phổ phát xạ nguyên tử plasma cảm ứng (ICP-OES) 67 Chương KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 68 3.1 Đặc trưng bã mía cellulose 68 3.1.1 Thành phần hoá học 68 3.1.2 Phổ FT-IR 69 3.1.3 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu cellulose chiết 70 3.2 Đặc trưng cellulose acetate 71 e 3.2.1 Phân tích phổ FT-IR 71 3.2.2 Độ thay thế, độ nhớt khối lượng phân tử trung bình theo độ nhớt 72 3.2.3 Phổ 1H-NMR 73 3.2.4 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu cellulose acetate 75 3.2.5 Phân tích nhiệt (DSC-TGA) 76 3.3 Đặc trưng màng bất đối xứng CAD CADA 77 3.3.1 Phân tích ảnh SEM 77 3.3.2 Phân tích nhiệt quét vi sai 79 3.3.3 Phân tích hiển vi lực nguyên tử (AFM) 80 3.3.4 Kết hàm lượng nước góc thấm ướt 81 3.3.5 Đánh giá hiệu suất tách protein BSA khả kháng tắc nghẽn màng CAD CADA 81 3.3.6 Khối lượng ngắt phân tử, kích thước lỗ trung bình phân bố kích thước lỗ màng CAD CADA 83 3.4 Đặc trưng vật liệu -MnO2 Ag/MnO2 84 3.4.1 Giản đồ nhiễu xạ tia X 84 3.4.2 Kết SEM EDX 85 3.4.3 Kết TEM 87 3.4.4 Kết BET 88 3.4.5 Phổ XPS 89 3.5 Đặc trưng cho vật liệu màng biến tính CA/MnO2 CA/PDA-Ag/MnO2 90 3.5.1 Đặc trưng vật liệu màng CA/MnO2 90 3.5.2 Đặc trưng vật liệu màng CA/PDA CA/PDA-Ag/MnO2 97 3.5.3 Kết phân tích nhiệt màng CAB, CA/MnO2, CA/PDA màng CA/PDA-Ag/MnO2 104 3.5.4 Khối lượng ngắt phân tử phân bố kích thước lỗ màng CAB, CA/MnO2-2, CA/PDA-2 CA/PDA-Ag/MnO2-2 106 e 3.5.5 Khả kháng tắc nghẽn màng CAB, CA/MnO2-2, CA/PDA-2 màng CA/PDA-Ag/MnO2-2 108 3.5.6 Kết kháng khuẩn vật liệu màng CA/MnO2-2, CA/PDA-2 CA/PDAAg/MnO2-2 111 3.6 Kết phân tách Pb(II) Cr(VI) màng CA màng CA biến tính 114 3.6.1 Nghiên cứu hấp phụ tĩnh 114 3.6.1.1 Thời gian đạt cân hấp phụ 114 3.6.1.2 Ảnh hưởng pH 115 3.6.1.3 Nghiên cứu mơ hình động học hấp phụ 117 3.6.1.4 Nghiên cứu đẳng nhiệt hấp phụ 121 3.6.2 Nghiên cứu hấp phụ động 123 3.6.3 Nghiên cứu tái sử dụng màng chế tạo 125 3.7 Khảo sát điều kiện tối ưu keo tụ với dịch chiết hạt chùm ngây 126 3.7.1 Khảo sát độ cao cánh khuấy cách đáy que khuấy mơ hình Jartest126 3.7.2 Khảo sát thể tích dịch chiết chùm ngây tối ưu để xử lý keo tụ tạo nước lũ 127 3.7.2.1 Mẫu nước lũ (M0-430) có độ đục 430 FTU, pH=7,12 127 3.7.2.2 Mẫu nước lũ (M0-253) có độ đục 253 FTU, pH=7,02 129 3.7.3 Khảo sát tốc độ khuấy 130 3.7.3.1 Khảo sát tốc độ khuấy nhanh trì thời gian phút đầu 130 3.7.3.2 Khảo sát tốc độ khuấy chậm trì thời gian sau phút đầu 130 3.8 Kết xử lý chất nhiễm, vi khuẩn có nước lũ trình kết hợp tiền xử lý dịch chiết hạt chùm ngây với màng lọc CA/PDA-Ag/MnO2 131 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 136 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CƠNG BỐ 138 TÀI LIỆU THAM KHẢO 139 PHỤ LỤC e