Đồ án tốt nghiệp Công nghệ kỹ thuật hóa học: Phân lập CNCs từ xơ dừa để tổng hợp composite hydrogel ứng dụng trong hấp phụ Pb²⁺

Kết quả cho thấy việc loại bỏ các thành phần như hemicellulose, lignin, các vùng vô định hình để thu được kích thước nano của vật liệu CNCs được thực hiện trong các điều kiện như sau: ki

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT HÓA HỌC

GVHD: HUỲNH NGUYỄN ANH TUẤN SVTH: TRẦN QUỐC HUY

PHÂN LẬP CNCs TỪ XƠ DỪA ĐỂ TỔNG HỢP COMPOSITE HYDROGEL ỨNG DỤNG TRONG

HẤP PHỤ Pb²⁺

DANH MỤC HÌNH

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

- -

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

PHÂN LẬP CNCs TỪ XƠ DỪA ĐỂ

TỔNG HỢP COMPOSITE HYDROGEL ỨNG DỤNG TRONG

HẤP PHỤ Pb 2+

SVTH: Trần Quốc Huy MSSV: 20128119 GVHD: TS Huỳnh Nguyễn Anh Tuấn

Tp Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2024

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

- -

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

PHÂN LẬP CNCs TỪ XƠ DỪA ĐỂ

TỔNG HỢP COMPOSITE HYDROGEL ỨNG DỤNG TRONG

HẤP PHỤ Pb 2+

SVTH: Trần Quốc Huy MSSV: 20128119 GVHD: TS Huỳnh Nguyễn Anh Tuấn

Tp Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2024

được tiến hành khảo sát các yếu tố ảnh hưởng bao gồm nồng độ NaOH (3%, 5%, 7%, 9%), thời gian kiềm hóa (2 giờ, 3 giờ, 4 giờ) và nhiệt độ xử lý (70℃, 80℃, 90℃) trong giai đoạn kiềm hóa bằng NaOH, nồng độ NaClO (2%, 4%, 6%) ở giai đoạn tẩy trắng và

được phân tích các tính chất lý hóa bằng các phương phá như FTIR, SEM, DLS, XRD Kết quả cho thấy việc loại bỏ các thành phần như hemicellulose, lignin, các vùng vô định hình để thu được kích thước nano của vật liệu CNCs được thực hiện trong các điều kiện như sau: kiềm hóa trong dung dịch NaOH 7% tại nhiệt độ 80℃ trong 2 giờ, tẩy trắng bằng dung dịch NaClO 4% tại nhiệt độ 60℃ trong 1 giờ và thủy phân bằng dung dịch H2SO4 65% ở nhiệt độ phòng trong 30 phút

Composite hydrogel đã được tổng hợp với các tỉ lệ CNCs khác nhau và được kết hợp với PVA, MWCNTs, Gelatin và APS Trong đó MWCNTs có vai trò là thành phần gia tăng khả năng hấp phụ của hydrogel, gelatin đóng vai trò là một liên kết ngang và APS

là chất khơi mào Vật liệu hydrogel thu được đã được đánh giá thành phần hóa học bằng phương pháp phổ hồng ngoại FTIR, hình thái học bằng kính hiển vi điện tử quét SEM, đánh giá tính chất lưu biến và tính chất cơ học Ngoài ra sự ảnh hưởng CNCs đến khả năng trương nở của hydrogel trong các môi trường khác nhau cũng như độ tan đã được

khả năng hấp phụ của vật liệu cũng như khả năng tái sử dụng đã được tiến hành và khảo sát

Lời cảm ơn đầu tiên, em xin dành cho mẹ em và người thân trong gia đình của mình Vì nếu không có họ thì em tự hỏi liệu bản thân có đủ động lực, đủ sức để vượt trong những khoảng thời gian mà em khủng hoảng nhất trong quá trình học tập của bản thân và trong thời gian thực hiện khóa luận này hay không? Khi mà có những những lúc đề tài đi vào ngõ cụt và thậm chí những lúc em muốn dừng lại vì bản thân cảm thấy không đủ năng lực Để đến bây giờ khi hoàn thành khóa luận này dù là chưa phải hoàn chỉnh nhất em cũng thấy tự hào và biết ơn với mọi hành động dù là nhỏ của nhất từ phía gia đình của

em

Lời cảm ơn thứ hai, em xin cảm ơn toàn thể các Thầy Cô trong khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm đã luôn tận tâm và nhiệt huyết trong công tác giảng dạy để truyền đạt đến sinh viên những kiến thức quý báu nhất Chân thành cảm ơn quý thầy cô vì đã quan tâm lo lắng và luôn tạo mọi điều kiện tốt nhất cho sinh viên trong quá trình học tập

và nghiên cứu tại phòng thí nghiệm

Đặc biệt, em xin được bày tỏ lòng biết ơn thầy Huỳnh Nguyễn Anh Tuấn – người thầy

đã giành những thời gian quý báu của bản thân để hướng dẫn, hỗ trợ nhiệt tình trong suốt thời gian thực hiện khóa luận tốt nghiệp Nếu không có thầy thì những thắc mắc, những bế tắc chắc chắn sẻ còn đó vì bản thân em chưa đủ những kiến thức để có thể gỡ rối được nó Những góp ý và chia sẻ của thầy về kiến thức về chuyên môn cũng như thái

độ sống sẽ là những hành trang cho bản thân em trước khi bước ra xã hội rộng lớn ngoài kia

Em cũng muốn gửi lời cảm ơn những người anh, người chị và các bạn khóa K20 đặc biệt là các bạn Củng Quỳnh Thương, Đinh Quang Cương, Lưu Trà Kiều Trâm, Nguyễn Phan Tường Nhi vì đã đồng hành, giúp đỡ và động viên em trong suốt quá trình nghiên

cứu và viết khóa luận tốt nghiệp Cảm ơn vì tất cả đã ở bên cạnh nhau và cùng nắm tay nhau hoàn thành khóa luận một cách tốt nhất

Lời cảm ơn cuối cùng em xin gửi đến bản thân em vì đã cố gắng nổ lực trong suốt 4 năm vừa qua dưới mái trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Mặc dù, em đã

cố gắng học tập và không ngừng tìm hiểu kiến thức để có thể hoàn thành khóa luận một cách tốt nhất nhưng vẫn không thể tránh khỏi những sự thiếu sót do sự hạn chế trong kinh nghiệm và kiến thức chuyên môn Em hy vọng sẽ nhận được những lời nhận xét và góp ý quý báu từ thầy cô cũng như các bạn học để tôi có thể hoàn thiện hơn nữa

Một lần nữa, em xin gửi một cái cúi đầu và một lời cảm ơn chân thành đến gia đình, quý thầy cô và các bạn vì đã giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp

Em hy vọng rằng tôi sẽ có cơ hội được tiếp tục học hỏi và phát triển trong tương lai

Em xin chân thành cảm ơn

TP Hồ Chí Minh, ngày 05 tháng 08 năm 2023

Sinh viên thực hiện

Trần Quốc Huy

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là khóa luận tốt nghiệp của tôi dưới sự hướng dẫn của giáo viên hướng dẫn là thầy Huỳnh Nguyễn Anh Tuấn Trong khóa luận này các nội dung và kết quả nghiên cứu được trình bày là hoàn toàn trung thực Các dữ liệu, tài liệu trích dẫn trong luận văn có nguồn gốc rõ ràng và được liệt kê đầy đủ tại danh mục tài liệu tham khảo

Tp Hồ Chí Minh, ngày 05 tháng 08 năm 2024

Sinh viên thực hiện

Trần Quốc Huy

MỤC LỤC

TÓM TẮT ĐỀ TÀI x

DANH MỤC BẢNG xvii

DANH MỤC HÌNH ẢNH xviii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT xx

MỞ ĐẦU xxi

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Tổng quan về hydrogel 1

1.1.1 Khái niệm về hydogel 1

1.1.2 Phân loại hydrogel 1

1.1.3 Tính chất hydrogel 2

1.2 Ứng dụng của hydrogel trong việc xử lý nước thải 3

1.3 Cơ chế hấp phụ của hydrogel trong xử lý nước thải 4

1.3.1 Tương tác tĩnh điện 5

1.3.2 Trao đổi ion 5

1.3.3 Liên kết hydro 5

1.3.4 Tương tác phối hợp 6

1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ 6

1.4.1 Ảnh hường pH dung dịch 6

1.4.2 Nồng độ chất ô nhiễm ban đầu 6

1.4.3 Sự tồn tại của các ion khác nhau trong dung dịch 7

1.5 Tổng quan nguyên liệu 7

1.5.1 Nguồn nguyên liệu xơ dừa 7

1.5.2 Tổng quan về Cellulose Nanocrystals (CNCs) 9

1.5.3 Polyviny alcohol 9

1.5.4 Ammonium persulfate (APS) 11

1.5.5 Gelatin 11

1.5.6 Multi walled carbon nanotubes (MWCNTs) 12

1.6 Các phương pháp phân tích và đánh giá 13

1.6.1 Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (Fourier Transform Infrared Spectroscopy – 13

FTIR) 13

1.6.2 Tán xạ ánh sáng động (Dynamic Light Scattering – DLS) 13

1.6.3 Kính hiển vị điện tử quét (Scanning Electron Microscope – SEM) và phổ tán 14

xạ năng lượng tia X (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy – EDX) 14

1.6.4 Tỷ lệ và tốc độ trương nở (swelling ratio và swelling rate - SR) 15

1.6.5 Phương pháp kiểm tra độ bền kéo vật liệu 16

1.7 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 17

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 18

2.1 Nguyên liệu, hóa chất, dụng cụ và thiết bị nghiên cứu 18

2.1.1 Nguyên liệu, hóa chất 18

2.1.2 Dụng cụ 18

2.1.3 Thiết bị 18

2.2 Phương pháp thực nghiệm và nội dung nghiên cứu 19

2.2.1 Quy trình chiết xuất CNCs từ xơ dừa 19

2.2.2 Quy trình tổng hợp comp hydrogel PVA/CNCs/MWCNT 21

2.3 Phương pháp đánh giá 24

2.3.1 Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier – FTIR 24

2.3.2 Kính hiển vi điện tử quét SEM và quang phổ tán xạ năng lượng tia X EDX 24

2.3.3 Tán xạ ánh sáng động DLS và thế Zeta 25

2.3.4 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 25

2.3.5 Khảo sát cơ tính 26

2.3.6 Khảo sát tính chất lưu biến 27

2.3.7 Khảo sát tốc độ trương nở trong nước 27

2.3.8 Khảo sát tỷ lệ trương nở theo môi trường pH 27

2.3.9 Khảo sát tỷ lệ trương trong môi trường muối 27

2.3.10 Khảo sát độ tan 27

2.3.11 Khảo sát ứng dụng hấp phụ Pb2+ 27

2.3.12 Khảo sát khả năng tái sử dụng của vật liệu 29

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 30

3.1 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân lập CNCs từ xơ dừa 30

3.1.1 Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình kiềm hóa bằng NaOH 30

3.1.2 Kết quả khảo sát ảnh hưởng nồng độ NaClO ở giai đoạn tẩy trắng 32

3.1.3 Kết quả khảo ảnh hưởng nồng độ H2SO4 đến quá trình thủy phân acid để phân lập CNCs 35

3.2 Đánh giá tính chất CNCs 36

3.2.1 Kết quả đo FTIR của CNCs 36

3.2.2 Kết quả thế Zeta 37

3.2.3 Kết quả nhiễu xạ tia X (XRD) 38

3.3 Tổng hợp mẫu hydrogel 39

3.3.1 Kết quả phổ FTIR 39

3.3.2 Kết quả đo SEM 40

3.3.3 Kết quả đo cơ tính 42

3.3.4 Kết quả đo lưu biến 45

3.3.5 Kết quả khảo sát tốc độ trương nở 46

3.3.6 Kết quả khảo sát tỷ lệ trương nở theo môi trường pH 46

3.3.7 Kết quả khảo sát tỷ lệ trương trong môi trường muối 47

3.3.8 Kết quả khảo sát độ tan 48

3.3.9 Khảo sát ứng dụng hấp phụ Pb2+ trong xử lý nước thải 49

3.3.10 Kết quả sát khả năng tái sử dụng vật liệu hydrogel 55

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 57

TÀI LIỆU THAM KHẢO 60

PHỤ LỤC 65

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Những ảnh hưởng tiêu cực của kim loại nặng đến sức khỏe con người 4

Bảng 1.2 Tính chất hóa học PVA 10

Bảng 2.1 Nguyên liệu tổng hợp hydrogel PVA/MWCNTs/CNCs 23

Bảng 3.1 Kết quả phân tích lỗ xốp bằng phần mềm ImageJ 42

Bảng 3.2 Kết quả độ bền kéo và độ giãn dài của mẫy hydrogel 43

Bảng 3.3 Kết quả Modul nén của vật liệu hydrogel với hàm lượng CNCs khác nhau 44 Bảng 3.4 Kết quả hiệu suất hấp phụ Pb2+ tại các hàm lượng CNCs 52

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Tính chất trương của hydrogel 3

Hình 1.2 Cơ chế hấp phụ hydrogel 5

Hình 1.3 Mặt cắt đứng trái dừa 7

Hình 1.4 Liên kết β (1-4) glucosid 8

Hình 1.5 Cấu trúc phân tử PVA 10

Hình 1.6 Công thức cấu tạo APS 11

Hình 1.7 Cấu trúc cơ bản của gelatin 12

Hình 1.8 Cấu trúc 3D của Multi walled carbon nanotubes (MWCNTs) 13

Hình 1.9 Mẫu thử độ bền kéo 16

Hình 2.1 Sơ đồ quy trình phân lập CNCs 19

Hình 2.2 Sự liên kết trong vật liệu composite hydrogel PVA/MWCNTs/CNCs 21

Hình 2.3 Sơ đồ quá trình tổng hợp composite hydrogel PVA/MWCNTs/CNCs 22

Hình 2.4 Sơ đồ minh quy trình tổng hợp composite hydrogel PVA/MWCNTs/CNCs 23

Hình 2.5 Máy quang phổ hồng ngoại FTIR Jasco series 4000 24

Hình 2.6 Máy SEM Hitachi TM4000 25

Hình 2.7 Máy đo kích thước hạt Malvern Zetasizer Pro 25

Hình 2.8 Máy XRD D2 Phaser 26

Hình 3.1 Phản ứng xử lý kiềm giữa sợi cellulose và NaOH 30

Hình 3.2 Kết quả chụp SEM bề mặt của (a) Xơ dừa thô và (b) Xơ dừa đã xử lý kiềm hóa 30

Hình 3.3 Kết quả FTIR của xơ dừa được xử lý bằng NaOH tại (a) các nhiệt độ xử lý, (b) các thời gian xử lý và (c) các nồng độ NaOH khác nhau 31

Hình 3.4 Kết quả FTIR của xơ dừa được xử lý bằng NaClO tại các nồng độ khác nhau 33

Hình 3.5 Kết quả SEM Cấu trúc của (a) Xơ dừa thô và (b) Xơ dừa đã tẩy trắng 34

Hình 3.6 Sự thay đổi màu của (a) Xơ dừa thô và (b) Xơ dừa đã tẩy trắng 34

Hình 3.7 Mẫu thủy phân với nồng độ H2SO4 70% 35

36

Hình 3.8 Kết quả đo DLS kích thước hạt của cellulose sau xử lý thủy phân H2SO4 tại các nồng độ 55%, 60% và 65% 36

Hình 3.9 Kết quả FTIR của mẫu xơ dừa thô và CNCs 36

Hình 3.10 Thế zeta (ζ) của tinh thể nano cellulose sau thủy phân 38

Hình 3.11 Giản đồ XRD của các mẫu xơ dừa thô và CNCs 39

Hình 3.12 Kết quả đo FTIR các hydrogel được gia cường với các tỷ lệ CNCs khác nhau 40

Hình 3.13 Ảnh chụp SEM bề mặt của các mẫu hydrpgel a) CNCs 0%; b) CNCs 5%; 40

c) CNCs 10%; d) CNCs 15% ở độ phóng đại 1800X 40 Hình 3.14 Ảnh chụp SEM cấu trúc lỗ xốp của các mẫu hydrpgel a) CNCs 0%; 41 b) CNCs 5%; c) CNCs 10%; d) CNCs 15% ở độ phóng đại 1800X 41 Hình 3.15 Đồ thị thể hiện kết quả đo cơ tính của composite hydrogel với các hàm lượng CNCs khác nhau: a) độ bền kéo; b) độ dãn dài 42Hình 3.16 Kết quả đường cong ứng suất – biến dạng nén của vật liệu hydrogel với các hàm lượng CNCs khác nhau 44 Hình 3.17 Kết quả đo lưu biến của các mẫu hydrogel với các hàm lượng CNCs khác nhau 45 Hình 3.18 Đồ thị thể hiện tốc độ trương theo thời gian của hydrogel với các hàm lượng CNCs khác nhau 46 Hình 3.19 Đồ thị thể độ trương của hydrogel với các hàm lượng CNCs khác nhau theo pH 47Hình 3.20 Đồ thị thể hiện độ trương của hydrogel với các hàm lượng CNCs khác nhau trong các môi trường muối 48 Hình 3.21 Đồ thị thể hiện độ tan của hydrogel với các hàm lượng CNCs khác nhau 48 Hình 3.22 Đường chuẩn dung dịch Pb2+ trong khoảng nồng độ 10 – 100 ppm 49 Hình 3.23 Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc đến quá trình hấp phụ Pb2+ lên tại chất hấp phụ hydrogel ở hàm lượng CNCs khác nhau 50 Hình 3.24 Đồ thị thể hiện sự ảnh hưởng CNCs đến khả năng hấp phụ Pb2+ với các hàm lượng khác nhau 51 Hình 3.25 Kết quả ảnh hưởng pH đến quá trình hấp phụ Pb2+ lên các chất hấp phụ hydrogel với các hàm lượng CNCs khác nhau 53Hình 3.26 Kết quả ảnh hưởng nồng độ Pb2+ ban đầu đến quá trình hấp phụ Pb2+ lên các chất hấp phụ hydrogel với các hàm lượng CNCs khác nhau 53 Hình 3.27 Quang phổ EDX của các mẫu hydrogelcủa các mẫu hydrogel a) CNCs 0%; 54 b) CNCs 5%; c) CNCs 10%; d) CNCs 15% 54 55Hình 3.28 Vùng ánh xạ nguyên tố EDX nguyên tố Pb của các mẫu hydrogel 55 a) CNCs 0%; b) CNCs 5%; c) CNCs 10%; d) CNCs 15% 55 Hình 3.29 Đồ thị thể hiện khả năng tái sử dụng của hydrogel PVA/MWCNTs/CNCs 15% 56

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

cường với 0% khối lượng CNCs)

cường với 5% khối lượng CNCs)

cường với 10% khối lượng CNCs)

cường với 15% khối lượng CNCs)

Fourier)

MỞ ĐẦU

Hiện nay, ô nhiễm nguồn nước gây ra bởi các kim loại nặng có thể có những tác động tiêu cực lớn đến môi trường và con người Đặc biệt xử lý nước thải sau sản xuất công nghiệp là một trong những vấn đề cần quan tâm nhiều nhất Trong nước thải công nghiệp thường chứa các kim loại nặng như Thủy ngân, Cadium, Chì, Niken gây ô nhiễm nguồn nước từ đó gây tác động đến sức khỏe con người cũng như hệ sinh thái khi nó không được xử lý đúng cách Điều này đẫn đến sự tích tụ của các kim loại nặng trong

hệ thống các nguồn nước như sông, hồ, đại dương… [1] Các phương pháp hiện nay được áp dụng trong việc xử lý các kim loại nặng khỏi nước như lọc, trao đổi ion, xử lý điện hóa, kết tủa hóa học, kết tinh, khử Tuy nhiên, việc loại bỏ bằng phương pháp kết tủa hóa học thường không hiệu quả đối với dung dịch có nồng độ kim loại cao Bên cạnh

đó việc xử lý còn tạo ra một lượng lớn kết tủa gây nhiều khó khăn trong việc xử lý một cách triệt để [2] Đối với các phương pháp còn lại việc xử lý vô cùng tốn kém nên không thể áp dụng ở quy mô sản xuất lớn Do đó việc tìm ra một phương pháp hiệu quả và kinh

tế để xử lý kim loại nặng và kinh tế là một yêu cầu cấp thiết Để giải quyết vấn đề này, hiện nay việc sử dụng các chất hấp phụ đang là xu hướng trong lĩnh vực xử lý nước thải

và được dự đoán mang lại hiệu quả cao, có tính linh hoạt và chi phí thấp [2] Một trong những ưu điểm của phương pháp này là không tạo ra chất thải phụ vì vậy mà các kim loại nặng được hấp phụ một cách tương đối triệt để Do đó, mà phương pháp này được

dự đoán sẽ nhanh chóng thay thế những phương pháp truyền thống khác

Cellulose là một trong những chất hấp phụ được tìm thấy số lượng lớn ở tự nhiên và là một trong những thành phần chính của sợi thực vật Bên cạnh đó vật liệu nano cellulose với kích thước nhỏ nên có thể tạo ra được diện tích bề mặt cao từ đó dẫn đến khả năng hấp phụ ion kim loại cao là một trong những vật liệu tiềm năng để xử lý nước thải [3] Cellulose có thể được phân lập từ nhiều nguồn khác nhau như sợi bông, giấy, bả mía, thân bắp… Đặc biệt là xơ dừa là một trong những nguồn nghiên liệu không chỉ có trữ lượng lớn ở mước ta mà còn là một nguồn nghiên liệu rẻ tiền, chi phí thấp, thân thiện với môi trường, quy trình sản xuất không quá phực tạp

Để tổng hợp vật liệu composite hydrogel có thể đi từ nhiều loại polymer khác nhau như chitosan, tinh bột, alginate, cellulose, chitin Đặc biệt là polyvinyl alcohol (PVA) là một polymer có độ hòa tan cao, khả năng tương thích sinh học và có thể phân hủy sinh

học tốt Do đó, nó đã nổi lên như một chất hấp phụ tiềm năng Tuy nhiên nó có tỉnh ổn định nhiệt và tính chất cơ học kém là những hạn chế chính của PVA Bên cạnh đó hiện nay MWCNTs là một loại hạt nano hấp phụ được sử dụng trong kỹ thuật và khoa học liên quan đến các ứng dụng môi trường Nó được biết đến như là một thành phần mang lại hiệu quả cao nhờ độ xốp cao, mật độ thấp, diện tích bề mặt riêng lớn Đặc biệt là độ dai với cấu trúc rỗng và nhiều lớp

Từ các lý do trên, đề tài “Phân lập CNCs từ xơ dừa để tổng hợp composite hydrogel trong hấp phụ Pb2+” đã được thực hiện

2.Mục tiêu nghiên cứu

- Xây dựng quy trình phân lập CNCs, khảo sát các yếu tố ảnh hướng đến quá trình phân lập CNCs ở các giai đoạn

- Tổng hợp thành công composite hydrogel PVA/MWCNTs/CNCs Đánh giá ảnh hưởng CNCs đến các tính chất lý hóa, khả năng trương, độ tan, tính chất lưu biến, tính chất cơ học của hydrogel

hợp ở các điều kiện khác nhau và các yêu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ,

- Đánh giá sơ bộ khả năng tái sử dụng vật liệu composite hydrogel

3 Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu

- CNCs được phân lập từ xơ dừa tỉnh Bến Tre

- Tổng hợp và nghiên cứu tính chất của polymer hydrogel PVA/MWCNTs/CNCs

hydrogel ở các tỷ lệ CNCs khác nhau

- Địa điểm thí nghiệm: Phòng thí nghiệm polymer B315, khu B, Khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh

4 Phương pháp nghiên cứu

STT Nội dung Phương pháp nghiên cứu

+ Giai đoạn xử lý NaOH với 3 yếu tố

nhiệt độ, thời gian, nồng độ

+ Giai đoạn tẩy bằng NaClO với yếu tố

- Dùng phương pháp SEM để xác định hình thái cấc trúc sợi qua từng giai đoạn

3

- Dùng phương pháp DLS để xác định kích thước hạt

4

-Dùng phương pháp FTIR, Zeta XRD để xác định tính chất CNCs

độ tan, độ bền kéo, độ dãn dài, modul nén để xác định cấu trúc và các tính chất của hydrogel

7

Đánh giá ảnh hưởng của CNCs đến khả

năng hấp phụ, giải hấp ion kim loại Pb2+

và khả năng tái sử dụng

- Tham khảo tài liệu

- Dùng phương pháp Uv-Vis để xác định nồng độ ion kim loại

Pb2+

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Ý nghĩa khoa học: CNCs là một loại vật liệu tiềm năng, chúng ta có thể khai thác nghiên cứu những ảnh hưởng của vật liệu này đến nhiều lĩnh vực đặc biệt là những tính chất của nó ở kích thước nano Việc nghiên cứu về CNCs cung cấp thông tin về các yếu tố tác động đến quy trình phân lập CNCs từ xơ dừa và đề tài này cũng cung cấp thêm thông tin về quá trình tổng hợp composite hydrogel từ CNCs đi từ xơ dừa và khả năng ứng dụng của nó

liệu khác như: các phế phẩm ngành công nghiệp giấy (giấy in, giấy viết tay, giấy báo, bìa carton ), các phế phẩm ngành nông nghiệp (thân bắp, rơm rạ, bã mía, vỏ trấu, ), góp phần làm tăng giá trị phế phẩm tăng thêm nguồn thu nhập giúp cải thiện kinh tế, tận dụng tối đa nguồn nguyên liệu sẵn có dồi dào Từ đó có thể làm nguồn nghiên liệu trong việc nghiên cứu và phát triển về lĩnh vực hydrogel từ đó có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau

Cấu trúc luận văn Luận văn được chia làm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Thực nghiệm

Chương 3: Kết quả và bàn luận

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về hydrogel

1.1.1 Khái niệm về hydogel

Hydrogel là một mạng lưới polymer ba chiều được tổng hợp dựa trên các polymer ưa nước có thể là mạch phân nhánh hoặc mạch thẳng Nó có khả năng hấp thụ một lượng nước đáng kể trong cấu trúc mạng ở trạng thái trương nở mà không tan trong nước Hydrogel có khả năng này là nhờ sự hiện diện của các nhóm phân cực ưa nước như OH,

hiện diện các liên kết ngang ngoài việc giúp cho hydrogel có khả năng không tan trong nước còn giúp hydrogel có thể kiểm soát sự hấp thụ nước và duy trì cấu trúc của hydrogel

ở trạng thái trương nở [5] Bên cạnh đó, khả năng trương nở của hydrogel còn phụ thuộc vào bản chất và thành phần của các monomer có trong cấu trúc của hydrogel [6]

1.1.2 Phân loại hydrogel

Hydrogel được phân loại dựa trên những phương diện khác nhau việc phân loại chủ yếu phụ thuộc vào các vật liệu cấu thành hydrogel Sự phân loại này có thể dựa trên các phương diện như loại liên kết ngang (hóa học, vật lý hoặc cả hai trong cùng một cấu trúc) Dựa vào phương pháp hình thành các liên kết ngang (trùng hợp khối, chiếu xạ tia gamma và tia cực tím, trùng hợp gốc tự do), Ngoài ra nó còn có thể dựa trên hiện diện điện tích ion trong hydrogel (cation, anion và trung tính) [4] Tuy nhiên thông thường hydrogel thường được phân loại dựa trên nguồn gốc các polymer:

- Nguồn gốc tự nhiên: Các polymer tự nhiên thường được chia thành nhiều loại dựa trên cấu trúc hoa học của chúng Thông thường ta hay gặp các polymer tự nhiên là các polysaccharide như tinh bột, alginate, cellulose, chitin, chitosan [4] hoặc dựa trên các polypeptide như collagen, gelatin… [7]

- Nguồn gốc tổng hợp: Các polymer có nguồn gốc tổng hợp hay sử dụng như polycaprolactone, poly ethylene glycol, poly vinyl pyrrolidone, poly vinyl alcohol [4]

Tuy nhiên, dù hydrogel có nguồn gốc tổng hợp hay tự nhiên thì đều có những ưu và nhược điểm riêng của từng loại Vì vậy thông thường các polymer có nguồn gốc tự nhiên

sẽ được ghép với các monomers, hoặc với các polymer tổng hợp để có thể cải thiện một tính chất cơ học và sự linh hoạt của các polymer [4]

1.1.3 Tính chất hydrogel

Việc sử dụng các polymer có nguồn gốc tổng hợp hay tự nhiên với các nhóm chức ưu nước đã mang đến khả năng trương và giữ nước trong cấu trúc mạng cùa hydrogel Điều này là một trong những điều kiện giúp hydrogel trở thành vật liệu lý tưởng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực đời sống

Tính chất cơ học: Đối với những ứng dụng không đòi hỏi phân hủy sinh học, điều được quan tâm là chất nền phải duy trì được tính bền vững cơ học Do đó, độ bền cơ học là một trong những tiêu chí quan trọng khi đánh giá tính chất hydrogel Nhờ vào việc bổ sung các copolymer hay các tác nhân tạo mạng lưới, độ bền của hydrogel được tăng cường Tuy nhiên cần xác định hàm lượng khâu mạch, mật độ các liên kết ngang ở một hàm lượng phù hợp Bởi vì khi mật độ khâu mạng quá cao dẫn đến vật liệu trở nên ít đàn hồi và có tính giòn [8]

Tính chất trương: Khả năng trương của vật liệu hydrogel được xác định là khoảng không gian bên trong của vật liệu hydrogel có sẵn để chứa nước Để có thể xác định khả năng trương của hydrogel ta có thể bắt đầu với các lực tương tác giữa polymer và nước Nhìn chung có ba lực lần lượt tác động đến việc mở rộng mạng hydrogel là tĩnh điện, sự tương tác giữa polymer với nước, và sự thẩm thấu Để xác định độ cân bằng trương của hydrogel cần phải có sự cân bằng của hai lực đàn hồi được tạo ra từ các mạng của liên kết chéo, được thể hiện trên hình 1.1 Chính sự cân bằng này đã giới hạn độ tan của hydrogel Hay nói một cách khác độ trương của hydrogel được định nghĩa là khả năng hòa tan hạn chế [9]

Tính chất tương hợp sinh học: sự tương hợp sinh học và không độc hại là một trong những đặc điểm quan trọng của các hydrogel tổng hợp ứng dụng trong lĩnh vực y sinh Hầu hết các polymer được ứng dụng trong lĩnh vực này đều phải được trải qua nhiều

thử nghiệm về độc tính tế bào in vivo Vì vậy việc đánh giá khả năng gây độc của

hydrogel là cần thiết nhằm xác định độ phù hợp vật liệu trong lĩnh vực y sinh [4, 9]

Hình 1.1 Tính chất trương của hydrogel [9]

Tính phân hủy sinh học: là một trong những tính chất cần phải có của vật liệu hydrogel được ứng dụng trong lĩnh vực y sinh Phân hủy sinh học là khả năng phân hủy của hydrogel thành các sản phẩm cuối cùng là vô hại Khả năng phân hủy sinh học của hydrogel phụ thuộc vào các thành phần cấu tạo nên hydrogel và phương pháp tổng hợp Các quá tình phân hủy bao gồm thủy phân và hòa tan các thực thể sinh học của hydrogel thành các sản phẩm cuối cùng Vì vậy việc xác định tính phân hủy sinh học của hydrogel cũng góp phần xác định độ phù hơp của hydrogel trong các lĩnh vực khác [4, 9]

1.2 Ứng dụng của hydrogel trong việc xử lý nước thải

Nước là một trong những nguồn tài nguyên thiên nhiên có trữ lượng lớn Tuy nhiên lượng nước ngọt chỉ chiếm 3% trong tổng nguồn nước Hơn thể nữa lượng nước được

sử dụng sinh hoạt đời sống, trong các lĩnh vực sản xuất công nghiệp, nông nghiệp chỉ chiếm một phần ba trong tổng lượng nước ngọt được nhắc đến [10-12] Trong khi nhu cầu về nguồn nước tăng cao, tình trạng ô nhiêm nguồn nước ngày càng gia tăng làm cho nguồn nước ngọt có sẵn lại ngày càng cạn kiệt dần [13, 14] Sự phát triển của công nghiệp hóa, hiện đại hóa và sự phát triển các ngành kỹ thuật sản xuất đã góp phần vào

sự ô nhiễm nguồn nước Các kim loại nặng có trong nước thải ngay cả hàm lượng thấp cũng gây nguy hại đến sức khỏe con người [15] Những ảnh hưởng tiêu cực của kim loại nặng đến sức khỏe con người được thể hiện trong bảng 1.1 Các phương pháp hiện nay được áp dụng trong việc xử lý các kim loại nặng khỏi nước như kết tủa hóa học, lọc, xử

lý điện hóa, trao đổi ion kết tinh, khử Tuy nhiên, việc loại bỏ bằng phương pháp kết tủa hóa học thường không hiệu quả đối với dung dịch có nồng độ kim loại cao Bên cạnh

đó việc xử lý còn tạo ra một lượng lớn kết tủa gây nhiều khó khăn trong việc xử lý một

cách triệt để Đối với các phương pháp còn lại việc xử lý vô cùng tốn kém nên không thể áp dụng ở quy mô sản xuất lớn [16, 17] Do đó, xu hướng phát triển trong lĩnh vực

xử lý nước thải bằng các chất hấp phụ đang được quan tâm vì mang lại hiệu quả cao, có tính linh hoạt và chi phí thấp nên nó được dự đoán sẽ nhanh chóng thay thế những phương pháp truyền thống khác [15]

Bảng 1.1 Những ảnh hưởng tiêu cực của kim loại nặng đến sức khỏe con người

Kim loại Những tác động tiêu cực

kinh con người

thể

Ngày nay, việc sử dụng hydrogel trong việc loại bỏ các chất gây ô nhiêm ra khỏi nguồn nước mang lại hiệu quả cao [5] Do có độ xốp cao ,đồng thời chứa nhiều nhóm chức ưa

đáng kể đồng thời có thể hấp phụ các chất ô nhiễm bao gồm việc loại bỏ và thu hồi kim loại nặng [18, 19] Tuy nhiên đối với các hydrogel được tổng hợp từ các polymer có nguồn gốc hóa dầu hay tổng hợp thì không thể tái sử dụng và phân hủy sinh học Do đó các polymer có nguồn gốc tự nhiên như cellulose là một loại polymer có mặt hầu hết ở

tự nhiên có khả năng phân hủy sinh học, rẻ tiền, dồi dào và quan trọng là vô hại đang được quan tâm hàng đầu hiện nay [20]

1.3 Cơ chế hấp phụ của hydrogel trong xử lý nước thải

Khả năng hấp phụ của hydrogel bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố khác nhau như pH dung dịch, nồng độ các chất ô nhiễm và sự hiện diện các nhóm chức, thành phần hóa học chất

ô nhiễm Cơ chế hấp phụ bao gồm tương tác tĩnh điện, tương tác ion, liên kết hydro và tương tác phối hợp như được thể hiện tại hình 1.2 Tuy nhiên cơ chế hấp phụ phổ biến

để xử lý các kim loại nặng là tương tác tĩnh điện [15], bên cạnh đó sự kết hợp giữa tương

tác tĩnh điện với các tương tác khác cũng đã được báo cáo như tương tác kỵ nước, liên kết hydro [21, 22]

1.3.1 Tương tác tĩnh điện

Tương tác tĩnh điện là tương tác giữa các phân tử có điện tích cùng dấu (tương tác anion – anion, cation − cation) và tương tác giữa các phân tử có điện tích trái dấu (tương tác anion – cation) đều được xem là tương tác tĩnh điện Để có thể loại bỏ các kim loại nặng bằng tương tác tĩnh điện yêu cầu trên bề mặt chất hấp phụ và chất bị hấp phụ phải có điện tích trái ngược nhau[15]

1.3.2 Trao đổi ion

Trao đổi ion là quá trình trao đổi giữa ion trong nước thải và vật liệu hấp phụ Các ion không mong muốn (cation hoặc anion) trong dung dịch nước được loại bỏ và thay thế bằng các ion có cùng điện tích trên bề mặt vật liệu hấp phụ Khi quá trình trao đổi ion diễn ra hoàn hảo, số lượng ion được giải phóng khỏi bề mặt vật liệu hấp phụ tương đương với số lượng ion bị hấp phụ [23] Trao đổi ion là một phương pháp hiệu quả, đặc biệt trong việc loại bỏ các chất ô nhiễm nguy hiểm như thuốc nhuộm và kim loại nặng

ra khỏi nước thải Quá trình này chuyển đổi các chất ô nhiễm thành dạng có thể tái chế

từ đó giảm thiểu gây hại đến môi trường cũng như hệ sinh thái [15]

Hình 1.2 Cơ chế hấp phụ hydrogel

1.3.3 Liên kết hydro

Liên kết hydro là tương tác lưỡng cực xuất phát từ lực hút tĩnh điện giữa nguyên tử có

độ âm điện lớn như N, O, F với nguyên tử H tích điện dương Trong quá trình xử lý các kim loại nặng các nhóm chức có chứa nguyên tố Oxy chẳng hạn như −COOH −OH

trong phân tử thường tham giá hấp phụ bằng liên kết H với các các kim loại nặng có trong nước thải [24]

1.3.4 Tương tác phối hợp

Trong quá trình xử lý khi loại bỏ các cation kim loại nặng thông qua cơ chế phối hợp, các cặp elcetron đơn độc của O và N ở quỹ đạo ngoài của các nhóm chức, dẫn đến sự hấp phụ các caiton trên bề mặt vật liệu hấp phụ Tương tác phối hợp còn có thể xảy ra cùng với các tương khách như tĩnh điện hay trao đổi ion

1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ

1.4.1 Ảnh hường pH dung dịch

Môi trường pH là yếu tố quan trọng, nó ảnh hưởng đến khả năng trương nở, cũng như

sự tương tác giữa các ion kim loại và vật liệu hấp phụ [25] Khi pH của dung dịch thiên

về môi trường acid thì bề mặt vật liệu hấp phụ bị proton hóa Do đó bề mặt vật liệu hấp phụ tích điện dương do nồng độ H+ trong dung dịch tăng dẫn đến sự tương tác giữa anion và bề mặt vật liệu hấp phụ tăng mạnh Ngươc lại, trong môi trường bazơ bề mặt chất hấp phụ bị khử proton do đó dẫn đến bề mặt hấp phụ tích điện âm nên sẽ tương tác với các cation [26, 27] Nhìn chung sự khử proton hay proton hóa chỉ diễn ra ở một số nhóm chức nhất định chẳng hạn amin hoặc carboxylic Độ pH thông thường được sử dụng để hấp phụ kim loại nặng khoảng 5,0-6,0 [28]

1.4.2 Nồng độ chất ô nhiễm ban đầu

Chất bị hấp phụ được loại bỏ khỏi dung dịch sẽ bám trên bề mặt vật liệu hấp phụ, do đó

nó phụ thuộc phần lớn vào nồng độ chất ô nhiêm ban đầu Trong cùng một khối lượng

và thể tích cố định của vật liệu hấp phụ, số lượng phân tử được hấp phụ tăng khi nồng

độ chất ô nhiễm ban đầu tăng Dẫn đến, nhiều chất bị hấp phụ sẽ liên kết với các vị trí hoạt động của vật liệu hấp phụ do đó đẩy nhanh quá trình khuếch tán kim loại nặng vào các vị trí này dẫn đến tăng khả năng hấp phụ [29] Tuy nhiên nồng độ chất ô nhiễm chỉ

ở mức độ nhất định, nếu tăng nồng lên quá cao số lượng vị trí hấp phụ trên bề mặt vật liệu hấp phụ giảm đi dẫn đến hiệu suất hấp phụ giảm [15] Vì vậy nồng độ chất ô nhiễm ban đầu là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ nên cần xác định nồng độ phù hợp để đạt hiệu suất hấp phụ tốt nhất

1.4.3 Sự tồn tại của các ion khác nhau trong dung dịch

Việc cùng tồn tại nhiều ion khác nhau trong cùng dung dịch là một trong các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ Trong dung dịch khi có nhiều ion cùng tồn tại dẫn đến sự cạnh tranh giữa các ion với nhau, một số ion có thể làm giảm khả năng hấp phụ của các ion khác hoặc cũng có thể là cùng tăng khả năng hấp phụ thông qua sự đồng hấp phụ [30] Hơn nữa, trong các vật liệu hấp phụ chứa nhìu nhóm chức khác nhau như COOH,

định dựa trên các đặt tính ion bao gồm độ âm điện, thế năng ion hóa, bán kính ion vì vậy việc cùng tồn tại nhiều ion trong dung dịch ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ gây khó khăn trong quá tình xử lý [15]

1.5 Tổng quan nguyên liệu

1.5.1 Nguồn nguyên liệu xơ dừa

Xơ dừa là vật liệu được thu từ vỏ trái dừa đây là phần giữa gáo dừa và vỏ của trái dừa

là lớp xơ dừa ở giữa (2) được phác họa như tại hình 1.3 [31] Hiện tại, sản lượng xơ dừa

ở Việt Nam vô cùng lớn vì vậy mà nó được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khách nhau như các ngành thủ công mỹ nghệ, nông nghiệp Thành phấn chính trong sợi xơ dừa bao gồm: cellulose 32% - 50%, hemicellulose 0,15 – 15%, lignin 30 – 46%, pectin 3-4% [32] Nhờ vào hàm lượng các thành phần khá cao nên xơ dừa được quan tâm trong việc tạo ra các loại vật liệu hấp phụ trong xử lý môi trường Bới vì, xơ dừa có giá thành rẻ và

có thể tận dụng được nguồn nguyên liệu phế phẩm từ nông nghiệp hiện nay Đặc biệt là một nguồn nguyên liệu để phân lập cellulose làm chất hâp phụ trong xử lý môi trường [33]

Hình 1.3 Mặt cắt đứng trái dừa [31]

a Cellulose

Cellulose là thành phần chính của tế thành tế bào thực vật và một trong những chất hữu

cơ dồi dào và phong phú Cellulose có thể phân lập từ nhiều nguồn sinh khối khác nhau

do đó nó trở thành nguồn nhiên liệu sinh học có thể được coi là vô hạn và có thể tái tạo

Do đó, các nhà nghiên cứu đang tập trung vào việc sử dung những polymer sinh học như cellulose để phát triển các nguồn sản phẩm thân thiện môi trường, có thể phân hủy

và có tính thích nghi sinh học cao

Cellulose là một loại polymer tự nhiên bao gồm các phân tử glucose dạng vòng liên kết với nhau Đơn vị lặp lại được thể hiện ở hình 1.4 bao gồm hai vòng anhydroglucose (C6H10O5)n, được liên kết với nhau thông qua oxy liên kết cộng hóa trị với C1 của một vòng glucose và C4 của vòng liền kề (liên kết 1→4) và được gọi là liên kết β (1-4) glucosid Mức độ trùng hợp n thay đổi trong khoảng từ 10 000 đến 15 000 tùy thuộc vào nguồn sinh khối tạo cellulose [34]

Hình 1.4 Liên kết β (1-4) glucosid

Cellulose là một polymer hữu cơ vừa kết tinh cao và phân cực mạnh, không tan trong nước nhưng tan trong một số ít dung môi Đặc biệt, cellulose có khả năng trương nở cao khi ái lực của dung môi gây trương mạnh hơn tương tác giữa các phân tử cellulose với nhau nó sẽ phá vỡ các liên kết giữa các phân tử cellulose chẳng hạn như amoniac,

Khi đó cellulose sẽ bị thủy phân thành các glucose vì các liên kết glucosid không bền trong với các môi trường trên nên bị phân hủy thành các sản phẩm thủy phân Vì vậy để

tan các thành phần như lignin, hemicellulose, các vùng vô định hình [35]

1.5.2 Tổng quan về Cellulose Nanocrystals (CNCs)

a Tính chất CNCs

Từ các vi tinh thể cellulose sau khi thủy phân acid ở nhiệt độ cao sẽ loại bỏ các vùng vô định hình và thu được CNCs Các CNCs đại diện cho các vùng tinh thể của trong cấu trúc cellullose CNCs với những tính chất nổi bật như tỷ lệ khung hình cao, diện tích bề mặt lớn cũng như cơ tính tốt, độ cứng cao Tuy nhiên tùy vào mục đích ứng dụng mà các CNCs sau khi phân lập có thể sẽ được chức năng hóa để hỗ trợ quá trình phân tán trong các polymer để đạt được độ bền liên kết phù hợp Đặc biệt CNCs được quan tâm nhiều là do tính chất bền vững, thân thiện môi trường và khả năng tương thích sinh học cao có thể kết hợp nhiều loại polymer và được ứng dụng trong các vật liệu khác nhau như than hoạt tính, màng lọc, chất độn gia cường trong các linh kiện điện tử, dược phẩm,

liệu có tiềm năng cao để phát triển và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác [35]

1.5.3 Polyviny alcohol

Polyvinyl alcohol (PVA) là polymer tan trong nước có dạng xoắn ốc có công thức phân

tính như khả năng phân hủy sinh học khả năng tương thích sinh học, không độc hại, khả năng tạo màng, ưa nước và đặc tính quang học PVA được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực bao gồm sản xuất công nghiệp, chất kết dính, mỹ phẩm, vật liệu đóng gói, dược phẩm và thực phẩm Tuy nhiên, nó có tỉnh ổn định nhiệt và tính chất cơ học kém là

những hạn chế chính của PVA điều này hạn chế tiềm năng của chúng trong một số ứng dụng nhất định [37, 38]

Hình 1.5 Cấu trúc phân tử PVA

a Tính chất hóa lý PVA

PVA là chất bột màu kem hoặc trắng, không mùi, không vị, không độc hại [39] Các tính vật lý như: mật độ, độ kết tinh, sự hình thành màng, tính tan trong nước, thể tích mol, mức độ trùng hợp… của PVA phụ thuộc vào mức độ thủy phân, khối lượng phân

tử và độ ẩm [40] Một số tính chất hóa học của PVA được thể hiện tại bảng 1.2

Bảng 1.2 Tính chất hóa học PVA

Thông số Mô tả

Công thức thực nghiệm (C2H4O)n(C4H6O2)m

PVA thủy phân một phần 84,2% - 89%

PVA thủy phân vừa phải 92,2% - 96,5%

PVA thủy phân hoàn toàn 98% - 99%

hydrocarbon thơm, dầu, xeton, este

b Ứng dụng PVA trong đời sống

PVA đã được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực từ kỹ thuật đến y học nhờ vào các tính chất nổi trội của nó Trong lĩnh vực kỹ thuật, PVA được sử dụng để sản xuất các loại màng phân tách hóa học, hấp phụ kim loại, pin nhiên liệu và bao bì Đối với ngàng công nghiệp, PVA được sử dụng trong việc chế tạo ống dẫn, cao su, dây đai vận chuyển, chất kết dính cho giấy, ngành dệt, da [41] Trong lĩnh vực y sinh, PVA được sử dụng như một môi trường vi mô để bôi trơn các khớp sụn Với tính tương thích, khả năng

phân hủy sinh học tốt và không độc hại, PVA đã được ứng dụng trong kỹ thuật cấy ghép xương Vật liệu tổng hợp dựa trên PVA kết hợp với CNCs, gelatin và acid polylactic đã được phát triển để có khả năng phân hủy sinh học và tăng cường độ bền kéo trong lĩnh vực y sinh [42]

1.5.4 Ammonium persulfate (APS)

Công thức cấu tạo: Hình 1.6

Công thức phân tử: (NH4)2S2O8

Tính chất vật lý:

− Trạng thái tự nhiên: Tinh thể màu trắng, không màu

− Khối lượng phân tử: 228,18 g/mol

− Khối lượng riêng: 1,98 g/cm3 ở 25℃

− Nhiệt độ nóng chảy: 120℃

Ứng dụng của APS: Thường được sử dụng như khơi mào tạo nên các gốc oxy hóa tự do trong dung dịch Các xúc tác phổ biến cho APS thường là các base như N, N, N’, N’–Tetramethylethylenediamine (TEMED), 3-Dimethylaminopropionitrile (DMAPN) Ngoài ra, APS còn có một số ứng dụng trong lĩnh vực sản xuất aniline, mạ điện, tẩy màu, khử mùi dầu

Hình 1.6 Công thức cấu tạo APS

1.5.5 Gelatin

Gelatin là hỗn hợp protein và peptide không đồng nhất thu được từ quá trình thủy phân một phần của collagen quá trình này tạo ra các peptide có các kích thước khác nhau Trọng lượng phân tử getatin công nghiệp thông thường từ 10 đến 250 kDa Cấu trúc phân tử gelatin được thể hiện hình 1.7 Gelatin hòa tan hoàn toàn trong nước ở 30℃ – 40℃ Ở nhiệt độ thấp, gelatin sẽ hấp thụ nước 5-10 lần trọng lượng của nó Khi nhiệt

độ cao, gelatin sẽ hòa tan nhanh chóng và tạo thành dung dịch sền sệt Một trong những đặc tính hữu ích quan trọng của gelatin là khả năng tạo gel Khi dung dịch gelatin được hòa tan ở 35−40°C, độ nhớt của dung dịch tăng lên Ban đầu, tăng chậm và sau đó tăng nhanh khi đạt đến điểm gel Quá trình tạo gel này diễn ra qua ba giai đoạn khác nhau Giai đoạn đầu tiên bao gồm sự sắp xếp lại không gian của các phân tử gelatin 7 Giai đoạn thứ hai liên quan đến việc liên kết các vùng xoắn ốc trong các phân tử riêng lẻ để tạo thành mạng lưới ba chiều Giai đoạn thứ ba, liên quan đến việc ổn định mạng lưới thông qua liên kết hydro giữa các chuỗi phân tử Độ cứng hoặc khả năng chống biến dạng cơ học của gelatin là một tính chất vật lý quan trọng và được đo lường dưới các điều kiện tiêu chuẩn [43]

Hình 1.7 Cấu trúc cơ bản của gelatin [44]

1.5.6 Multi walled carbon nanotubes (MWCNTs)

Ống nano carbon đa vách (MWCNTs) bao gồm nhiều lớp than chì cuộn đồng trục thành hình ống được thể hiện tại hình 1.8 thể hiện cấu trúc 3D của MWCNTs MWCNTs có cấu trúc vững chắc,độ cứng cao và tính linh hoạt[45] Vì vậy, mà nó có nhiều ứng dụng thực tế, trong đó MWCNTs có thể được gia công vào nhựa để làm tăng hả năng hấp phụ ứng dụng trong xử lý môi trường hoặc để tăng tính dẫn điện, chúng có thể được sử dụng như chất phụ gia trong lớp phủ dẫn điện, mực dẫn điện để in các linh kiện điện tử và tạo

ra màng dẫn điện trong suốt cho màn hình cảm ứng Ngoài ra, MWCNTs cũng có thể hoạt động như chất dẫn hoặc chất bán dẫn Trong lĩnh vực sản xuất xe, ống nano carbon thường được sử dụng để làm cho các bộ phận bền hơn hoặc đạt được độ bền tương tự với lượng vật liệu ít hơn, từ đó giảm trọng lượng

Hình 1.8 Cấu trúc 3D của Multi walled carbon nanotubes (MWCNTs) [46]

1.6 Các phương pháp phân tích và đánh giá

1.6.1 Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (Fourier Transform Infrared Spectroscopy – FTIR)

Kỹ thuật phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) đại diện cho một sự tiến bộ đáng kể trong lĩnh vực nghiên cứu hồng ngoại, với khả năng nâng cao độ phân giải và giảm nhiễu Phương pháp FTIR hoạt động dựa trên nguyên lý hấp thụ bức xạ hồng ngoại của vật liệu được nghiên cứu Qua quá trình này, các dao động đặc trưng của các liên kết hóa học giữa các nguyên tử được ghi nhận, tạo thành một phổ hồng ngoại Phương pháp này được sử dụng để thu thập thông tin về sự hấp thụ hoặc phát xạ của chất rắn, chất lỏng hoặc khí Qua việc phân tích các bước sóng trong phổ, nhà nghiên cứu có thể rút

ra kết luận về việc tổng hợp thành công hoặc thiếu sót các nhóm chức mà họ quan tâm trong mẫu Phổ FTIR có thể được coi là một "dấu vân tay" đặc trưng của mẫu và thường

là duy nhất Bằng cách theo dõi sự tương tác của ánh sáng hồng ngoại với mẫu, phổ FTIR cung cấp thông tin về cấu trúc và nhóm chức có mặt trong mẫu Đặc điểm này rất hữu ích trong việc xác định sự tổng hợp thành công hay thiếu sót của các nhóm chức quan trọng trong quá trình nghiên cứu [47]

1.6.2 Tán xạ ánh sáng động (Dynamic Light Scattering – DLS)

Tán xạ ánh sáng động (Dynamic Light Scattering - DLS), còn được gọi là quang phổ tương quan photon (Photon Correlation Spectroscopy - PCS), là một phương pháp quang phổ được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như hóa sinh, hóa học và vật lý để xác định phân

bố kích thước của các hạt như polymer, protein, chất keo trong dung dịch hoặc huyền phù Phương pháp DLS đo lường sự biến đổi thời gian của ánh sáng tán xạ khi đi qua