Nghiên cứu biến tính sợi thực vật ứng dụng làm vật liệu hấp thu dầu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THỊ MIỀN NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH SỢI THỰC VẬT ỨNG DỤNG LÀM VẬT LIỆU HẤP THU DẦU LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2016 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - NGUYỄN THỊ MIỀN NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH SỢI THỰC VẬT ỨNG DỤNG LÀM VẬT LIỆU HẤP THU DẦU Chuy n ng nh: Hóa hữu M số: 60440114 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Nguyễn Thanh Tùng TS Chu Ngọc Châu Hà Nội - 2016 LỜI CẢM ƠN Sau thời gian nghi n cứu, đề t i đ ho n th nh Tôi xin b y tỏ lòng kính trọng v biết ơn sâu sắc tới TS Nguyễn Thanh Tùng - Phòng vật liệu Polyme, Viện Hoá học – Viện H n lâm Khoa học v Công nghệ Việt Nam v TS Chu Ngọc Châu – Khoa Hoá học – Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhi n – ĐHQG H Nội đ giao đề t i v tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ thời gian vừa qua Tôi xin trân trọng cảm ơn thầy cô khoa Hoá học – Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhi n – ĐHQG H Nội, anh chị công tác phòng vật liệu Polyme – Viện Hoá học, bạn bè, ngƣời thân đ giúp đỡ, động vi n v tạo điều kiện để ho n th nh luận văn n y Hà Nội, ngày tháng 01 năm 2016 Nguyễn Thị Miền MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU MỞ ĐẦU CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 SỢI THỰC VẬT 1.1.1 Th nh phần hoá học sợi thực vật .3 1.1.2 Cấu tạo phân tử xenlulozơ .4 1.1.3 Tính chất hoá học xenlulozơ .6 1.2 PHẢN ỨNG AXETYL HÓA XENLULOZƠ .8 1.3 PHẢN ỨNG TRÙNG HỢP GHÉP LÊN XENLULOZƠ 11 1.3.1 Lý thuyết chung trình trùng hợp ghép 11 1.3.2 Ảnh hƣởng điều kiện phản ứng tới đặc điểm trình ghép v tính chất copolyme ghép xenlulozơ 14 1.4 SỰ CỐ TRÀN DẦU VÀ CÁC TÁC ĐỘNG ĐẾN MÔI TRƢỜNG, KINH TẾ XÃ HỘI, SỨC KHỎE CON NGƢỜI .19 1.4.1 Nguy n nhân gây cố tr n dầu 19 1.4.2 Tác động dầu tr n đến môi trƣờng v kinh tế - x hội .21 1.4.3 Tác động dầu tr n đến sức khỏe ngƣời 24 1.5 CÁC PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ SỰ CỐ TRÀN DẦU VÀ VẬT LIỆU HẤP THU DẦU 25 1.5.1 Các phƣơng pháp xử lý cố tr n dầu 25 1.5.2 Giới thiệu vật liệu hấp thu dầu 29 CHƢƠNG THỰC NGHIỆM 35 2.1 HÓA CHẤT, NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ THIẾT BỊ .35 2.1.1 Hóa chất, nguy n vật liệu 35 2.1.2 Thiết bị 35 2.2 PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 36 2.2.1 Axetyl hóa sợi tre 36 2.2.2 Trùng hợp ghép LMA lên sợi tre .36 2.2.3 Tổng hợp vật liệu hấp thu dầu tr n sở trùng hợp ghép LMA lên sợi tre có mặt chất tạo lƣới 37 2.3 CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ 37 2.3.1 Phân tích phổ hồng ngoại (IR – Infrared Spectroscopy) 37 2.3.2 Phƣơng pháp phân tích nhiệt (TGA – Thermo Gravimetric Analysis) 38 2.3.3 Phƣơng pháp hiển vi điện tử quét (SEM – Scanning Electron Microscopy) 39 2.3.4 Phƣơng pháp phổ tán xạ lƣợng tia X (EDX – Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) 39 2.3.5 Mức độ axetyl hóa 40 2.3.6 Hiệu suất ghép 41 2.3.7 Xác định h m lƣợng phần gel 41 2.3.8 Độ hấp thu dầu 41 2.3.9 Đo độ hấp thu dầu vật liệu điều kiện thực nghiệm khác 42 2.3.10 Thu hồi tái sử dụng vật liệu hấp thu dầu 42 CHƢƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 43 3.1 Axetyl hoá sợi tre .43 3.1.1 Ảnh hƣởng thời gian 43 3.1.2 Ảnh hƣởng nhiệt độ 43 3.1.3 Ảnh hƣởng h m lƣợng NBS .44 3.1.4 Ảnh hƣởng tỷ lệ sợi tre/anhidrit axetic .45 3.1.5 Khả hấp thu dầu 46 3.1.6 Một số đặc trƣng lý hoá sợi tre axetyl hóa .47 3.1.7 Kết luận tiểu mục 3.1 51 3.2 NGHIÊN CỨU TRÙNG HỢP GHÉP LMA LÊN SỢI TRE .52 3.2.1 Ảnh hƣởng thời gian 52 3.2.2 Ảnh hƣởng nhiệt độ 52 3.2.3 Ảnh hƣởng nồng độ chất khơi m o 53 3.2.4 Ảnh hƣởng nồng độ monome 54 3.2.5 Tổng hợp vật liệu hấp thu dầu tr n sở phản ứng trùng hợp ghép có mặt chất tạo lƣới .55 3.2.6 Một số đặc trƣng hóa lý sản phẩm 56 3.2.7 Kết luận tiểu mục 3.2 59 3.3 NGHIÊN CỨU CÁC TÍNH NĂNG CỦA VẬT LIỆU HẤP THU DẦU TRÊN CƠ SỞ SỢI TRE BIẾN TÍNH 60 3.3.1 Đo độ hấp thu dầu vật liệu 60 3.3.2 Thu hồi tái sử dụng vật liệu hấp thu dầu 61 3.3.3 Kết luận tiểu mục 3.3 63 KẾT LUẬN 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO 65 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt AA AASO3H AIBN ATRP CTAB DAc DMA DMAc DMAP DMF DMSO DS DSC DVB FTIR HFO LMA MBA NBS NOAA PP SEM TGA WPG XRD Giải thích Axit acrylic 2-acrylamido-2-metylpropansunfonic axit Azobisisobutyronitrin Phƣơng pháp trùng hợp gốc chuyển nguy n tử Cetyl trimetyl ammonium bromua Mức độ axetyl hoá Dimetyl axetamit Dimetyl axetamit 4-dimetylamino pyridin Dimetyl formamit Dimetylsulfoxit Mức độ Phƣơng pháp nhiệt vi sai quét Divinyl benzen Phổ hồng ngoại Dầu nhi n liệu nặng Lauryl metacrylat Metylenbisacrylamit N- Bromosuccinimit Cục quản lý đại dƣơng v khí quốc gia Hoa Kỳ Polypropylene Kính hiển vi điện tử quét Phƣơng pháp phân tích nhiệt trọng lƣợng Phần trăm gia trọng Nhiễu xạ tia X DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Cấu trúc phân tử xenlulozơ Hình 1.2 Li n kết hidro v ngo i mạch xenlulozơ Hình 1.3 Li n kết lớp xenlulozơ Hình 1.4 Phản ứng axetyl hoá xenlulozơ với anhidrit axetic Hình 1.5 Cơ chế phân tán v tách pha dầu khỏi nƣớc nhờ chất phân tán 27 Hình 2.1 Sơ đồ phản ứng trùng hợp ghép LMA lên sợi tre 36 Hình 2.2 Sơ đồ phản ứng trùng hợp ghép LMA lên sợi tre có mặt chất tạo lƣới 37 Hình 2.3 Nguy n lý phép phân tích EDX 40 Hình 3.1 Ảnh hƣởng thời gian phản ứng đến mức độ axetyl hóa .43 Hình 3.2 Ảnh hƣởng nhiệt độ phản ứng đến mức độ axetyl hóa 44 Hình 3.3 Ảnh hƣởng hàm lƣợng chất xúc tác 45 Hình 3.4 Ảnh hƣởng tỷ lệ sợi tre/anhidrit axetic (w/v) 46 Hình 3.5 Độ hấp thu dầu sợi tre sợi tre axetyl hóa .46 Hình 3.6 Phổ IR sợi tre (a) sợi tre axetyl hóa (b) 48 Hình 3.7 Giản đồ nhiễu xạ tia X sợi tre (a) sợi tre axetyl hóa (b) 49 Hình 3.8 Giản đồ phân tích nhiệt TGA sợi tre 50 Hình 3.9 Giản đồ phân tích nhiệt TGA sợi tre axetyl hóa 50 Hình 3.10 Ảnh SEM sợi tre (a) sợi tre axetyl hóa (b) 51 Hình 3.11 Ảnh hƣởng thời gian đến trình trùng hợp ghép LMA lên sợi tre 52 Hình 3.12 Ảnh hƣởng nhiệt độ đến trình trùng hợp ghép LMA lên sợi tre 53 Hình 3.13 Ảnh hƣởng nồng độ AIBN đến trình trùng hợp ghép .53 LMA lên sợi tre 53 Hình 3.14 Ảnh hƣởng nồng độ monome đến trình trùng hợp ghép 54 LMA lên sợi tre 54 Hình 3.15 Phổ IR sợi tre (a) LMA-sợi tre-DVB (b) 57 Hình 3.16 Giản đồ phân tích nhiệt TGA sợi tre 57 Hình 3.17 Giản đồ phân tích nhiệt TGA sợi tre ghép LMA .58 Hình 3.18 Ảnh SEM Sợi tre (a), LMA-Sợi tre (b) 59 Hình 3.19 Hình ảnh trình làm dầu thƣơng phẩm khỏi nƣớc: (a) Dầu mặt nƣớc; (b) dầu đƣợc hấp thu vật liệu; (c) Vật liệu sau hấp thu dầu đƣợc vớt 62 Hình 3.20 Khả tái sử dụng vật liệu hấp thu dầu sở sợi tre biến tính sau chu kỳ hấp thu/giải hấp 62 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Một số loại sợi thực vật đƣợc quan tâm thƣơng mại Bảng 1.2 Th nh phần số loại sợi thực vật Bảng 1.3 Ảnh hƣởng nồng độ chất khơi m o tới trình trùng hợp ghép .16 Bảng 1.4 Ảnh hƣởng dung môi tới số trình trùng hợp ghép .18 Bảng 1.5 Những vụ tr n dầu đƣợc nghi n cứu dịch tễ tác động l n sức khỏe ngƣời 24 Bảng 3.1 Kết FTIR 47 Bảng 3.2 Ảnh hƣởng h m lƣợng chất tạo lƣới đến sản phẩm trình trùng hợp ghép 55 Bảng 3.3 Kết FTIR 56 Bảng 3.4 Độ hấp thu dầu thô vật liệu xenlulozơ biến tính điều kiện thực nghiệm khác .60 Bảng 3.5 Độ hấp thu dầu thƣơng phẩm vật liệu xenlulozơ biến tính điều kiện thực nghiệm khác 61 Hình 3.15 Phổ IR sợi tre (a) LMA-sợi tre-DVB (b) * Phân tích nhiệt trọng lƣợng TGA Giản đồ phân tích nhiệt TGA sợi tre, sợi tre ghép BA sợi tre ghép LMA đƣợc trình bày hình 3.16, 3.17 Hình 3.16 Giản đồ phân tích nhiệt TGA sợi tre 57 Hình 3.17 Giản đồ phân tích nhiệt TGA sợi tre ghép LMA Sau giai đoạn bay nƣớc v dung môi ban đầu, đƣờng TGA trải qua số giai đoạn phân hủy khác Trong có giai đoạn xảy nhiệt độ [...]... : Nghiên cứu biến tính sợi thực vật ứng dụng làm vật liệu hấp thu dầu Những nhiệm vụ nghi n cứu m luận án phải thực hiện l : - Tổng hợp vật liệu hấp thu dầu bằng phản ứng axetyl hoá xenlulozơ của sợi tre bằng anhidrit axetic, xúc tác N-Bromosuccinimide (NBS) - Tổng hợp vật liệu hấp thu dầu bằng phản ứng trùng hợp ghép vinyl monome mạch d i (lauryl metacrylat) l n sợi tre - Khảo sát khả năng hấp thu. .. tế Gần đây, công nghệ biến tính và tổng hợp các vật liệu mới nhằm tăng tính kị nƣớc và khả năng hấp thu dầu đang đƣợc chú trọng nghiên cứu Nhiều loại vật liệu mới đã đƣợc chế tạo, đánh giá v so sánh về khả năng hấp thu dầu cũng nhƣ hiệu 1 quả kinh tế Một hƣớng rất quan trọng khác trong lĩnh vực vật liệu hấp thu dầu đƣợc đặc biệt quan tâm nghi n cứu v phát triển l vật liệu hấp thu dầu tr n cơ sở các loại... sát khả năng hấp thu dầu, phƣơng pháp thu gom v khả năng tái sử dụng của vật liệu 2 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 SỢI THỰC VẬT 1.1.1 Thành phần hoá học của sợi thực vật Sợi thực vật, nhƣ t n gọi của nó, thu đƣợc từ các loại cây Th nh phần hoá học chính l xenlulozơ do đó chúng còn đƣợc gọi l sợi xenlulozơ Sợi thực vật đƣợc phân loại theo nguồn gốc của chúng trong cây, bao gồm: - Sợi vỏ hay sợi thân: tạo th nh... cây - Sợi lá hay sợi cứng: chạy dọc theo chiều d i lá của các cây một lá mầm - Sợi len trong quả: ví dụ nhƣ bông l sợi thực vật quan trọng nhất Có tới hơn 250.000 lo i thực vật bậc cao, tuy nhi n chỉ có một số rất ít lo i (< 0,1%) đƣợc khai thác cho những ứng dụng thƣơng mại Bảng 1.1 Một số loại sợi thực vật đƣợc quan tâm trong thƣơng mại T n thƣơng mại Lanh Gai dầu Đay xanh Đay cách Gai Chuối sợi Dứa... chiếm khoảng 20-25% khối lƣợng thực vật trong rừng bán nhiệt đới v nhiệt đới Việc biến tính sợi xenlulozơ bằng các phƣơng pháp nhƣ axetyl hoá hay trùng hợp ghép với các vinyl monome mạch d i giúp l m giảm tính ƣa nƣớc vốn có của chúng, tăng khả năng hấp thu dầu, l m cho chúng phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau Ô nhiễm dầu tr n biển nói ri ng (sự cố tr n dầu) cũng nhƣ ô nhiễm dầu nói chung l một mối đe... Dùng phao giữ dầu nổi tr n mặt nƣớc, khi dầu đƣợc cố định bằng phao, bƣớc tiếp theo l cần phải gỡ bỏ dầu ra khỏi mặt nƣớc bằng cách kết hợp với một số phƣơng pháp khác nhƣ hấp thu, phân tán…[34, 43] + Dùng máy hút dầu giống nhƣ thiết bị l m sạch chân không hấp thu dầu tr n mặt nƣớc với ái lực hấp dẫn hay phá hủy li n kết vật lý dầu- nƣớc v giữ dầu trong một khoang chứa Cách n y chỉ sử dụng đƣợc đối... tr n dầu bằng cách sử dụng các chất phân tán; các chất keo tụ v hấp thu dầu, các chất phá nhũ tƣơng dầu - nƣớc… Phƣơng pháp n y đƣợc sử dụng để l m sạch dầu khi có hoặc không có phƣơng pháp l m sạch cơ học v dầu tr n trong một thời gian d i Nhìn chung, các hóa chất sử dụng đƣợc chia l m hai nhóm: nhóm các chất phân tán v nhóm các chất hấp thu * Chất phân tán Các chất phân tán có tác dụng phân tán dầu. .. lý xenlulozơ trƣớc khi ghép Th nh phần của sợi thực vật gồm: xenlulozơ, hemixenlulozơ, lignin v các chất khác Thực chất của quá trình xử lý sợi l dùng hóa chất để tách những phần 14 không cần thiết có trong sợi thực vật nhƣ: lignin, pectin, chất trích ly,… đó l những phần vô định hình, kém ổn định, l m giảm tính chất cơ lý, hóa lý của sợi thực vật Để phản ứng xảy ra, hoá chất cần xâm nhập v o các hình... với việc sử dụng chúng [19, 44] 1.5 CÁC PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ SỰ CỐ TRÀN DẦU VÀ VẬT LIỆU HẤP THU DẦU 1.5.1 Các phƣơng pháp xử lý sự cố tràn dầu Song song với các công tác phòng tránh tai nạn tr n dầu, chống rò rỉ gi n khoan, cần có các biện pháp xử lý dầu tr n tr n mặt nƣớc Các nh khoa học đ v đang cố gắng để tìm ra các biện pháp l m sạch nguồn nƣớc bị ô nhiễm dầu Các phƣơng pháp dùng để xử lý dầu tr n có... Thành phần chính của sợi thực vật ngo i xenlulozơ (một polysaccarit) còn có các hemixenlulozơ, các hợp chất phenol, pectin, các hợp chất chiết đƣợc, ngo i ra còn có các tạp chất vô cơ nhƣ tro, [2, 32] Th nh phần hoá học chủ yếu của một số loại sợi thực vật theo phần trăm khối lƣợng khô tuyệt đối đƣợc trình b y ở bảng 1.2 [1, 2] 3 Bảng 1.2 Th nh phần của một số loại sợi thực vật Loại sợi Đay Dừa Cọ Lanh