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 L

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 HÓA HỌC

BÌNH ĐỊNH-2021

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

Chuyên ngành: Hóa lí thuyết và Hóa lí

Mã số chuyên 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

1 PGS.TS Nguyễn Phi Hùng

2 PGS TS Cao Văn Hoàng

BÌNH ĐỊNH, 2021

Lời cam đoan

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Nguyễn Phi Hùng và PGS.TS Cao Văn Hoàng Tất cả các kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tập thể hướng dẫn Tác giả luận án

PGS TS Nguyễn Phi Hùng PGS TS Cao Văn Hoàng Đặng Thị Tố Nữ

Lời cảm ơn

Tôi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS TS Nguyễn Phi Hùng và PGS.TS Cao Văn Hoàng đã tận tình hướng dẫn, động viên và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, thực nghiệm nghiên cứu và hoàn thành luận án

Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban giám hiệu, ban chủ nhiệm Khoa Khoa học Tự nhiên của Trường Đại học Quy Nhơn, ban quản lý dự án TEAM (mã số ZEIN2016PR431) phía Trường Đại học Quy Nhơn và GS Nguyễn Minh Thọ cùng GS Bart Van der Bruggen, Đại học KU Leuven đã tạo điều kiện thuận lợi nhất để tôi hoàn thành kế hoạch nghiên cứu

Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô giáo, quý anh chị em và các bạn đồng nghiệp đang công tác tại Khoa Khoa học Tự nhiên, Trường Đại học Quy Nhơn cũng như các anh chị em nhóm nghiên cứu GS Bart Van der Bruggen, các anh chị em đang học tập và nghiên cứu tại Khoa Hóa, Đại học KU Leuven đã tạo điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt quá trình học tập và làm thực nghiệm nghiên cứu

Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn chồng và hai con trai, luôn động viên và tạo điều kiện thuận lợi nhất cho tôi học tập và nghiên cứu Cảm ơn ba mẹ, tất cả những người thân trong gia đình đã nhiệt tình động viên, tận tình giúp đỡ tôi về mọi mặt trong suốt thời gian học tập và hoàn thành luận án này

Quy Nhơn, tháng 5 năm 2021

Tác giả Đặng Thị Tố Nữ

MỤC LỤC

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt

Danh mục các bảng

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu 4

3 Đối tượng và phương pháp nghiên cứu 5

4 Nội dung nghiên cứu của luận án 6

5 Những đóng góp mới của luận án 6

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 7

Chương I TỔNG QUAN 8

1.1 Thực trạng ô nhiễm môi trường nước 8

1.2 Sơ lược về nước lũ 9

1.2.1 Chất rắn lơ lửng 9

1.2.2 Tảo 9

1.2.3 Vi sinh vật gây bệnh 9

1.2.4 Động vật đơn bào (Protozoa) 10

1.2.5 Chất hữu cơ 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 các quá trình màng động lực áp suất 15

1.3.2 Sự phân cực nồng độ và tắc màng (fouling) 18

1.4 Tổng quan về bã mía, cellulose và cellulose acetate 19

1.4.1 Giới thiệu bã mía và cellulose 19

1.4.2 Tổng quan về cellulose acetate 22

1.5 Dopamine, polydopamine 24

1.6 Giới thiệu về nano -MnO2 và Ag/MnO2 26

1.7 Một số phương pháp chế tạo màng 28

1.7.1 Phương pháp đảo pha ứng dụng chế tạo màng bất đối xứng 28

1.7.2 Phương pháp biến đổi bề mặt 31

1.8 Giới thiệu về hạt chùm ngây và một số nghiên cứu keo tụ 32

1.9 Giới thiệu một số vấn đề nghiên cứu trong hấp phụ 35

1.9.1 Nghiên cứu đẳng nhiệt hấp phụ 35

1.9.2 Mô hình động học hấp phụ 36

Chương 2 THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 38

2.1 Hóa chất, dụng cụ và thiết bị 38

2.1.1 Hóa chất 38

2.1.2 Dụng cụ và thiết bị 39

2.2 Chiết tách cellulose từ bã mía và xác định hàm lượng thành phần hoá học 41

2.2.1 Quy trình chiết tách cellulose 41

2.2.1.1 Quy trình 1 (cellulose thu được đặt tên là CE-0) 41

2.2.1.2 Quy trình 2 (mẫu cellulose thu được gọi là CE-1) 42

2.2.1.3 Quy trình 3 (cellulose thu được gọi là CE-2) 42

2.2.2 Xác định hàm lượng thành phần hoá học 42

2.2.2.1 Xác định hàm lượng Klason lignin 42

2.2.2.2 Xác định hàm lượng hemicellulose và cellulose 43

2.3 Tổng hợp cellulose acetate và xác định các 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 thế DS 44

2.3.3 Xác định độ nhớt theo phương pháp điểm đơn 45

2.4 Tổng hợp vật liệu nano MnO2 và Ag/MnO2 45

2.4.1 Tổng hợp vật liệu MnO2 45

2.4.2 Tổng hợp nano Ag/MnO2 46

2.5 Điều chế và biến tính màng lọc từ các cellulose acetate tổng hợp và dung môi DMSO 46

2.5.1 Điều chế màng bất đối xứng CAD và 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 và Ag/MnO2 47

2.6 Xác định các đại lượng đặc trưng màng 49

2.6.1 Xác định khối lượng ngắt phân tử (MWCO), kích thước lỗ xốp trung bình và sự phân bố kích thước lỗ xốp của màng 49

2.6.2 Xác định hàm lượng nước 50

2.6.3 Xác định thông lượng dòng thấm, khả năng kháng tắc nghẽn và hiệu suất phân tách BSA của các màng chế tạo 50

2.6.3.1 Thông lượng dòng thấm (J) 51

2.6.3.2 Tỉ lệ thu hồi thông lượng và các trở lực của màng 51

2.6.3.3 Hiệu suất phân tách BSA 52

2.7 Nghiên cứu khả năng hấp phụ Cr(VI) và Pb(II) của vật liệu màng 52

2.7.1 Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ 53

2.7.2 Khảo sát ảnh hưởng của pH dung dịch 53

2.7.3 Khảo sát nồng độ ban đầu của Cr(VI) và Pb(II) 53

2.8 Lọc động và tái sử dụng của màng chế tạo với dung dịch Pb(II) 53

2.8.1 Lọc động 53

2.8.2 Nghiên cứu tái sử dụng màng 54

2.9 Khảo sát đặc tính kháng khuẩn của vật liệu chế tạo được theo phương pháp đếm khuẩn lạc 54

2.10 Nghiên cứu các điều kiện tối ưu cho quá trình keo tụ tạo bông với dịch chiết

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 56

2.10.3 Thí nghiệm xác định tốc độ khuấy tối ưu 57

2.10.3.1 Tốc độ khuấy nhanh duy trì trong thời gian 3 phút đầu 57

2.10.3.2 Tốc độ khuấy chậm duy trì trong thời gian sau 3 phút đầu 57

2.11 Kết hợp tiền xử lý keo tụ bằng dịch chiết chùm ngây với siêu lọc xử lý một số mẫu nước lũ ở địa phương 58

2.12 Các phương pháp nghiên cứu đặc trưng vật liệu 58

2.12.1 Phương pháp phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) 58

2.12.2 Phương pháp nhiễu xạ tia Rơnghen (XRD) 59

2.12.3 Phương pháp nghiên cứu cấu trúc hình thái học của 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 ở 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 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 68

3.1 Đặc trưng bã mía và cellulose 68

3.1.1 Thành phần hoá học 68

3.1.2 Phổ FT-IR 68

3.1.3 Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu cellulose chiết được 70

3.2 Đặc trưng cellulose acetate 71

3.2.1 Phân tích phổ FT-IR 71

3.2.2 Độ thay thế, độ nhớt và 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 của các mẫu cellulose acetate 75

3.2.5 Phân tích nhiệt (DSC-TGA) 76

3.3 Đặc trưng của màng bất đối xứng CAD và 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 quả hàm lượng nước và góc thấm ướt 81

3.3.5 Đánh giá hiệu suất tách protein BSA và khả năng kháng tắc nghẽn của màng CAD và CADA 81

3.3.6 Khối lượng ngắt phân tử, kích thước lỗ trung bình và sự phân bố kích thước lỗ của màng CAD và CADA 83

3.4 Đặc trưng vật liệu -MnO2 và Ag/MnO2 84

3.4.1 Giản đồ nhiễu xạ tia X 84

3.4.2 Kết quả SEM và EDX 85

3.4.3 Kết quả TEM 87

3.4.4 Kết quả BET 88

3.4.5 Phổ XPS 89

3.5 Đặc trưng cho vật liệu màng biến tính CA/MnO2 và 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 và CA/PDA-Ag/MnO2 97

3.5.3 Kết quả phân tích nhiệt của màng CAB, CA/MnO2, CA/PDA và màng CA/PDA-Ag/MnO2 104

3.5.4 Khối lượng ngắt phân tử và sự phân bố kích thước lỗ của các màng CAB, CA/MnO2-2, CA/PDA-2 và CA/PDA-Ag/MnO2-2 106

3.5.5 Khả năng kháng tắc nghẽn của màng CAB, CA/MnO2-2, CA/PDA-2 và màng

CA/PDA-Ag/MnO2-2 108

3.5.6 Kết quả kháng khuẩn của vật liệu màng CA/MnO2-2, 2 và CA/PDA-Ag/MnO2-2 111

3.6 Kết quả phân tách Pb(II) và Cr(VI) của các màng CA và màng CA biến tính 114

3.6.1 Nghiên cứu hấp phụ tĩnh 114

3.6.1.1 Thời gian đạt cân bằng hấp phụ 114

3.6.1.2 Ảnh hưởng của pH 115

3.6.1.3 Nghiên cứu mô 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 của màng chế tạo 125

3.7 Khảo sát các điều kiện tối ưu khi keo tụ với dịch chiết hạt chùm ngây 126

3.7.1 Khảo sát độ cao cánh khuấy cách đáy của que khuấy trong mô hình Jartest126 3.7.2 Khảo sát thể tích dịch chiết chùm ngây tối ưu để xử lý keo tụ tạo bông đối với 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 duy trì trong thời gian 3 phút đầu 130

3.7.3.2 Khảo sát tốc độ khuấy chậm duy trì trong thời gian sau 3 phút đầu 130

3.8 Kết quả xử lý các chất ô nhiễm, vi khuẩn có trong nước lũ bằng quá trình kết hợp giữa tiền xử lý bằng dịch chiết hạt chùm ngây với màng lọc CA/PDA-Ag/MnO2 131 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 136

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ 138

TÀI LIỆU THAM KHẢO 139 PHỤ LỤC

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

17 DSC Differential scanning

calorimetry

Phân tích nhiệt quét vi

sai

spectroscopy

Phổ tán xạ năng lượng

tia X

lượng

plasma-optical emission spectrometry

Quang phổ phát xạ plasma cảm ứng

tử

separation

Phân tách pha không dung môi

30 Pb Lead Chì

thấm trung bình

35 TGA Thermo Gravimetric Analysis Phân tích nhiệt trọng

lượng

Diffraction

Nhiễu xạ điện tử vùng

lựa chọn

động

44 TEM Transmission electron

microscopy

Hiển vi điện tử truyền

qua

Spectroscopy Phổ quang điện tử tia X

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Các thông số và kí hiệu của màng được chế tạo 46

Bảng 2.2 Các thông số và kí hiệu của màng được chế tạo 47

Bảng 2.3 Các thông số biến tính bề mặt và nhãn được chỉ định của các màng 48

Bảng 3.1 Thành phần hoá học của bã mía và cellulose chiết được 68

Bảng 3.2 Chỉ số độ tinh thể của các mẫu cellulose 71

Bảng 3.3 Kết quả đánh giá vật liệu cellulose acetate 72

Bảng 3.4 Các giá trị tích phân của các pic trong phổ 1H-NMR và DS 73

Bảng 3.5 Các thông số độ nhám AFM bề mặt của màng CAD và CADA 80

Bảng 3.6 Hàm lượng nước và góc thấm ướt của màng CAD và CADA 81

Bảng 3.7 Kết quả khảo sát thông lượng dòng thấm của màng CAD và CADA với nước cất, dung dịch BSA và nước cất sau làm sạch 82

Bảng 3.8 Kết quả khảo sát thông lượng, tỉ lệ thu hồi thông lượng và các trở lực của màng CAD và CADA 82

Bảng 3.9 Kích thước lỗ trung bình, độ lệch chuẩn hình học và khối lượng ngắt phân tử của màng CAD và CADA 84

Bảng 3.10 Phần trăm khối lượng của các nguyên tử theo phổ EDX của vật liệu K--MnO2, H--MnO2 và Ag/MnO2 86

Bảng 3 11 Các thông số đặc trưng BET của hai vật liệu H- δ-MnO2 và Ag/MnO2 88

Bảng 3.12 Các thông số độ nhám bề mặt AFM của các màng CAB và CA/MnO2 95

Bảng 3.13 Các thông số độ nhám AFM của các màng CAB, 2 và CA/PDA-Ag/MnO2-2 99

Bảng 3.14 Kích thước lỗ xốp trung bình, độ lệch chuẩn hình học và khối lượng ngắt