Đề tài tốt nghiệp : Nghiên cứu chế tạo Phosphorinlignin từ lignin ứng dụng để xử lý kim loại nặng trong nước thải

LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thạc sĩ Trần Anh Tuấn – Trường đại học Hàng Hải Việt Nam đã hướng dẫn tận tình, chu đáo và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn tới toàn thể thầy cô giáo của bộ môn Kĩ Thuật môi trường, khoa máy tàu biển, trường đại học Hàng Hải Việt Nam đã trang bị cho tôi những kiến thức bổ ích, thiết thực cũng như sự nhiệt tình, ân cần dạy bảo trong những năm vừa qua. Tôi xin gửi lời cảm ơn tập thể cán bộ trung tâm đào tạo và tư vấn KHCN bảo vệ môi trường thủy – trường đại học Hàng Hải Việt Nam đã tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tôi trong quá trình làm thực nghiệm. Cuối cùng, tôi xin cảm ơn đến gia đình và bạn bè đã động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và làm Luận văn. Hải phòng, ngày 3 tháng 12 năm 2014 SINH VIÊN Nguyễn Thị Xoan 1 DANH MỤC HÌNH 4 KÍ HIỆU 5 KH – Kí hiệu 5 M0 – Mẫu Lignin 5 M1-1 – Phosphorinlignin thời gian đun 2h, 5g lignin/ 5ml POCl3 5 M1 – Phosphorinlignin thời gian đun 2h , 5g lignin/ 7.5 ml POCl3 5 M1-2 – Phosphorinlignin thời gian đun 2h , 5g lignin/ 10 ml POCl3 5 M2-1 – Phosphorinlignin thời gian đun 3h , 5g lignin/ 5 ml POCl3 5 M2 – Phosphorinlignin thời gian đun 3h , 5g lignin/ 7.5 ml POCl3 5 M2-2 – Phosphorinlignin thời gian đun 3h , 5g lignin/ 10 ml POCl3 5 M3-1 – Phosphorinlignin thời gian đun 4h , 5g lignin/ 5 ml POCl3 5 M3 – Phosphorinlignin thời gian đun 4h , 5g lignin/ 7.5 ml POCl3 5 M3-2 – Phosphorinlignin thời gian đun 4h , 5g lignin/ 10 ml POCl3 5 MỞ ĐẦU 6 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 8 CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 25 2.1. Đối tượng nghiên cứu 25 2.2. Dụng cụ và hóa chất 26 2.2.1. Dụng cụ thiết bị 26 2.3.2. Phương pháp nghiên cứu chế tạo vật liệu Phosphorinlignin 27 2.3.4. Phương pháp phân tích kim loại 31 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 33 3.1. Kết quả 33 3.1.1. Kết quả quá trình chế tạo phosphorinlignin 33 3.1.2. Khảo sát khả năng hấp phụ kim loại nặng đánh giá trên dung lượng hấp phụ 33 34 3.2. Hoàn thiện quy trình chế tạo phosphorinlignin 38 3.2.1. Ảnh hưởng của thời gian đun tới lượng sản phẩm tạo thành 38 3.2.2. Ảnh hưởng của tỷ lệ lignin/POCl3 tới lượng sản phẩm 38 3.2.3. Nhận xét 38 3.3. Đánh giá khả năng hấp phụ KLN đánh giá trên dung lượng hấp phụ 40 KẾT LUẬN 42 2 DANH MỤC BẢNH 3 DANH MỤC HÌNH 4 KÍ HIỆU KH – Kí hiệu M 0 – Mẫu Lignin M 1-1 – Phosphorinlignin thời gian đun 2h, 5g lignin/ 5ml POCl 3 M 1 – Phosphorinlignin thời gian đun 2h , 5g lignin/ 7.5 ml POCl 3 M 1-2 – Phosphorinlignin thời gian đun 2h , 5g lignin/ 10 ml POCl 3 M 2-1 – Phosphorinlignin thời gian đun 3h , 5g lignin/ 5 ml POCl 3 M 2 – Phosphorinlignin thời gian đun 3h , 5g lignin/ 7.5 ml POCl 3 M 2-2 – Phosphorinlignin thời gian đun 3h , 5g lignin/ 10 ml POCl 3 M 3-1 – Phosphorinlignin thời gian đun 4h , 5g lignin/ 5 ml POCl 3 M 3 – Phosphorinlignin thời gian đun 4h , 5g lignin/ 7.5 ml POCl 3 M 3-2 – Phosphorinlignin thời gian đun 4h , 5g lignin/ 10 ml POCl 3 5 MỞ ĐẦU Cùng với sự phát triển của nền kinh tế hiện nay thì các ngành sản xuất công nghiệp ngày càng mở rộng về quy mô và số lượng ngày càng lớn. Bên cạnh những lợi ích to lớn của nó mang lại thì sự phát triển của nền công nghiệp kèm theo không ít những vấn đề khiến các nhà quản lý phải quan tâm đặc biệt trong đó có ô nhiễm môi trường. Nước thải của các ngành công nghiệp khai khoáng, mạ điện, cơ khí, ắc quy, chứa các kim loại nặng như Pb(II), Zn(II), Cu(II), Cd…có nồng độc cao từ vài mg/L đến vài trăm mg/L. Những dòng thải này không được xử lý đạt tiêu chuẩn xả thải sẽ gây hại cho môi trường tiếp nhận bởi các kim loại nặng không có khả năng phân hủy sinh học và có xu hướng tích tụ trong tế bào thực vật, động vật và con người gây tác động xấu tới sinh vật và sức khỏe con người. Vì vậy, việc nghiên cứu xử lý hiệu quả và triệt để kim loại này là hết sức cần thiết. Một số phương pháp đã được tiến hành nghiên cứu để xử lý kim loại nặng như kết tủa, keo tụ, trao đổi ion, lọc bằng màng, sinh học, hấp phụ…. Mỗi phương pháp đều những ưu việt, giới hạn ứng dụng nhất định nhưng có nhược điểm là tạo bùn thải và giá thành cao. Trong đó, hấp phụ là một trong những phương pháp có nhiều ưu điểm so với các phương pháp khác, vì các vật liệu sử dụng làm chất hấp phụ tương đối phong phú, dễ điều chế, không đắt tiền, thân thiện với môi trường. Do đó, việc ứng dụng vật liệu tự nhiên có sẵn hoặc tận dụng những chất thải công nghiệp, nông nghiệp để xử lý kim loại nặng trong nước sẽ mang lại hiệu quả kinh tế và môi trường. Một số nghiên cứu sử dụng những nguồn tài nguyên bản địa để xử lý kim loại nặng đã được thực hiện ở nước ta. Hàng năm các nhà máy giấy của nước ta sản xuất ra hàng chục nghìn tấn giấy và bột giấy, thải vào môi trường lượng chất thải hữu cơ không nhỏ trong đó lignin chiếm một lượng đáng kể. Do vậy xử lý nguồn phế thải nhà máy giấy là một vấn đề cấp thiết để bảo vệ môi trường. Về lâu dài phải hướng về việc nghiên cứu khả năng tận dụng lignin và các dẫn xuất của lignin để sản xuất ra 6 các sản phẩm khác phục vụ nền kinh tế quốc dân. Việc tận dụng các chế phẩm này chế tạo vật liệu mới để xử lý kim loại nặng trong nước không những giải quyết được vấn đề môi trường của ngành công nghiệp giấy và bột giấy, mà còn góp phần giảm thiểu ô nhiễm của một số ngành khác phát sinh chất ô nhiễm kim loại nặng. Vì vậy, nghiên cứu tổng hợp phosphorinlignin từ lignin để ứng dụng xử lý kim loại nặng trong nước thải là hướng tiếp cận mới có giá trị về mặt kinh tế, tận dụng phế thải, tiết kiệm chi phí xử lý môi trường. Đây cũng là một cách tiếp cận mới thân thiện với môi trường vừa xử lý ô nhiễm, vừa giải quyết vấn đề cấp bách bảo vệ môi trường của ngành. Nội dung nghiên cứu của đề tài gồm những phần chính như sau: - Lignin và sản phẩm của lignin ứng dụng trong xử lý ô nhiễm môi trường. - Các phương pháp xử lý kim loại nặng ở Việt Nam. - Xây dựng quy trình chế tạo phosphorinlignin. - Đánh giá hiệu quả xử lý Zn trong nước thải của vât liệu đã chế tạo. 7 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1.1. Lignin 1.1.1. Giới thiệu về Lignin [1,2] Thuật ngữ “lignin” được đưa ra vào năm 1819 bởi “de Candolle” , nó nguồn gốc Latin là Lignum, nghĩa là gỗ [1]. Lignin là một hơp chất phức tạp, chủ yếu được tách ra từ gỗ và là một thành phần không thể thiếu trong màng thực vật, trong thành phần của tế bào bao bọc xung quanh các sợi xenluloza và có hàm lượng lớn thứ 2 sau xenluloza. Hàm lượng lignin trong gỗ thay đổi không những phụ thuộc vào loại cây mà còn phụ thuộc vào tuổi cây, điều kiện địa lý. Thông thường hàm lượng lignin khoảng 25 - 40%. Trong các cây lá nhọn chứa 20 – 30%, trong cây lá rộng 20 – 25%, trong các cây cỏ 5 – 9% .[2] Hình 1. 1 Thành phần Lignin trong gỗ tự nhiên Hợp chất này có vài tính chất bất thường khác với các biopolymer khác, đó là tính hỗn tạp ngay từ cấu trúc cấu thành đầu tiên của nó. Trong công nghiệp, quá trình biến đổi hóa học của lignin thường gặp nhất là delignin hóa. Delignin hóa là phân hủy và hòa tan lignin từ nguyên liệu gỗ 8 hoặc quá trình nấu bột giấy và sản phẩm của quá trình này là nguồn nguyên liệu quan trọng trong sản xuất một số hóa chất đặc trưng của phenol. 1.1.2. Cấu trúc phân tử của Lignin Thành phần của lignin gồm khoảng 62 ÷ 64% C, 5 ÷ 6% H, nhiều nhóm metoxy(-OCH 3 ) và nhiều nhóm hydroxyl (-OH) tự do. Ở các loài thực vật khác nhau thì bản chất của những nguyên tố cấu trúc lignin cũng khác nhau. Lignin được coi là 1 polyme của các hợp chất có khung phenyl propan được tạo thành từ phản ứng dehidro polyme hoá 3 tiền chất cơ bản là coniphenyl ancol (1), xinapyl ancol (2) và p-cumaryl ancol (3). Công thức cấu tạo được trình bày ở (hình 1.2) Lignin là hợp chất raxemix với khối lượng phân tử lớn, có đặc tính thơm và kị nước. Nghiên cứu xác định độ trùng hợp của lignin, người ta thấy sự phân đoạn trong quá trình triết và phân tử có nhiều loại tiền chất xuất hiện lặp đi lặp lại một cách ngẫu nhiên. Liên kết trong phân tử lignin là kết quả của quá trình oxi hoá kết nối các mono lignin với nhau tạo thành oligome và polyme. Theo Frenden Berg và các cộng sự thì lignin là 1 polyme của coniferyl, có phân tử lượng vào khoảng 8.000 tuỳ theo từng loại thực vật mà số đơn vị coniferyl khác nhau [1]. 9 CH CH CH 2 OH OH OCH 3 (1) CH CH CH 2 OH OH (3) CH CH CH 2 OH OH OCH 3 H 3 CO (2) Công thức cấu tạo của coniphenylancol (1), xinapyl ancol (2),p-cumaryl ancol (3). Hình 1. 2 Công thức cấu tạo của lignin Hình 1. 3 Công thức phân tử của lignin Lignin có cấu tạo vô định hình không tan trong nước và trong axit vô cơ. Chỉ dưới tác động của kiềm bisunfitnatri và H 2 SO 4 thì lignin mới bị phân hủy một phần và chuyển sang dạng hòa tan. Khi phân hủy lignin bằng kiềm sẽ tạo ra các axit thơm. [3] 10 [...]... này 2.3 Phương pháp nghiên cứu 26 2.3.1 Phương pháp nghiên cứu tài liệu Thu thập, nghiên cứu và phân tích, kế thừa tài liệu đã có trên thế giới và Việt Nam về phương pháp chế tạo vật liệu phosphorinlignin, cách tiến hành và ứng dụng trong xử lý nước thải nhiễm kim loại nặng 2.3.2 Phương pháp nghiên cứu chế tạo vật liệu Phosphorinlignin Nguyên tắc chung: Bằng phương pháp tạo phản ứng kết tủa của photphin... tách từ nước dịch đen của nhà máy giấy Quý Tùng Hương – Bắc Giang Đề tài đã tiến hành: - Nghiên cứu, khảo sát, khả năng phosphor hóa lignin có mặt xúc tác pyridine và CH2Cl2 để tổng hợp phosphorinlignin làm vật liệu hấp phụ kim loại nặng trong nước thải 25 - Đánh giá các sản phẩm đã chế tạo trong xử lý nước thải từ Phosphorinligin từ đó tìm ra điều kiện tồi ưu đem lại hiệu xuất xử lý cao nhất - Mẫu nước. .. của lignin từ đó nghiên cứu quy trình chế tạo phosphoryllignin làm vật liệu hấp phụ kim loại nặng Zn trong nước thải 1.6 Một số công trình đã nghiên cứu về lignin và hợp chất của lignin trên thế giới và Việt Nam Trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu về lignin và hợp chất của lignin trong nhiều lĩnh vực khác nhau: Đề tài “ Nghiên cứu đặc điểm và tính chất trao đổi ion của kết tủa peoxyacid chế. .. phẩm của lignin để xử lý kim loại nặng trong nước và nước thải sẽ đem lại nhiều lợi về mặt môi trường: - Tận dụng nguồn phế thải của ngành công nghiệp này để xử lý chất thải cho ngành công nghiệp khác - Tạo ra một vật liệu có khả năng xử lý môi trường hiệu quả cao, chi phí thấp Lignin và các sản phẩm của lignin có nguồn gốc từ tự nhiên dễ phân hủy sinh học do đó trong quá trình sử dụng không gây độc... sử dụng và môi trường sinh thái Đã có nhiều nghiên cứu về ứng dụng của lignin và dẫn xuất của lignin trong các lĩnh vực khác nhau như trong sản xuất thuốc bảo vệ thực vật, xử lý nước thải đặc biệt là xử lý kim loại nặng độc hại có khối lượng phân tử lớn và phức hợp Tuy nhiên những nghiên cứu về các hợp chất này không nhiều, các dẫn xuất của lignin còn hạn chế vì vậy nghiên cứu tổng hợp phosphorinlignin. .. peoxyacid chế tạo từ lignin sau quá trình nghiền” của A M Nada, Nesrine F Kassem và Samar H Mohamed đề tài đã xây dựng được quy trình tổng hợp của một số kết tủa từ lignin, ứng dụng để hấp phụ kim loại Cr, Fe, Cu, Pb trong nước thải, được đăng trên tạp chí “ncsu.edu/bioresources” Năm 2008 số 3(2)-Giza, Egypt Đề tài: “ Nghiên cứu điều chế sản phẩm của lignin tách từ nước thải dich đen để trao đổi ion”... metylsulfo hóa lignin và ứng dụng để trong gia công hóa chất bảo vệ thực vật Đề tài “ nghiên cứu tổng hợp lignin từ dịch đen kiềm” Luận văn tốt nghiệp năm 2013 Ngành công nghệ hóa học Việt Nam Trường đại học Bách Khoa Hà Nội Đã nghiên cứu khả năng hấp phụ kim loại trong ước thải dịch đen nhà máy giấy CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tượng nghiên cứu Trên cơ sở chọn lựa vật liệu là lignin. .. kader Đề tài đã chế tạo được kết tủa peoxilignin, soda lignin, cacboxilignin… dùng dể hấp phụ kim loại Cu, Mn, Zn, Mg trong nước thải, được in trên tap chí “Pelaia Reseach Library” năm 2012 số 9076-8505- USA- CSHIA5 Đề tài : “ Biến đổi lignin trong xơ bông nghiên cứu quang phổ và khả năng trao đổi ion” của A M A Nada, S S Hamed, S I Soliman and S Abd El Mongy Đề tài chế tạo nhựa trao đổi ion từ phosphorate... trường lignin được ứng dụng là chất hấp phụ kim loại nặng trong nước thải Lignin là một polymer của các hợp chất có khung phenyl propan được tạo thành từ phản ứng dehidro polyme Trong phân tử của lignin có nhiều nhóm (-OH) do vậy nó có thể liên kết với các kim loại để tạo thành các muối kim loại của lignin Mặt khác lignin kết tủa trong môi trường axit điều này sẽ giúp tách được lignin ra khỏi hỗn hợp... dẫn xuất của lignin còn hạn chế vì vậy nghiên cứu tổng hợp phosphorinlignin để xử lý kim loại nặng là rất cần thiết, là một hướng tiếp cận đầy hứa hẹn có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao 1.5 Các phương pháp xử lý kim loại nặng Hiện nay đã có nhiều phương pháp xử lý kim loại nặng trong nước thải được nghiên cứu và áp dụng trong thực tế như phương pháp kết tủa hóa học, phương pháp trao đổi ion, phương . học Hàng Hải Việt Nam đã hướng dẫn tận tình, chu đáo và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn tới toàn thể thầy cô giáo của bộ. các ngành sản xuất công nghiệp ngày càng mở rộng về quy mô và số lượng ngày càng lớn. Bên cạnh những lợi ích to lớn của nó mang lại thì sự phát triển của nền công nghiệp kèm theo không ít. trường. Do đó, việc ứng dụng vật liệu tự nhiên có sẵn hoặc tận dụng những chất thải công nghiệp, nông nghiệp để xử lý kim loại nặng trong nước sẽ mang lại hiệu quả kinh tế và môi trường. Một