Nghiên cứu biến tính xơ dừa Tam Quan để ứng dụng làm vật liệu hấp thụ một số hợp chất hữu cơ trong nước

Header Page of 126 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Công trình ñược hoàn thành ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS.LÊ TỰ HẢI NGUYỄN VĂN THANH Phản biện : GS TS ĐÀO HÙNG CƯỜNG NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH XƠ DỪA TAM QUAN ĐỂ ỨNG DỤNG LÀM VẬT LIỆU HẤP PHỤ Phản biện : PGS TS VÕ VIỄN MỘT SỐ HỢP CHẤT HỮU CƠ TRONG NƯỚC Chuyên ngành: Hóa hữu Mã số: 60 44 27 Luận văn ñã ñược bảo vệ trước hội ñồng chấm Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ Khoa học họp Đại học Đà Nẵng vào ngày 14 tháng 12 năm 2012 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Đà Nẵng – 2012 Footer Page of 126 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thông tin – Học liệu, Đại học Đà Nẵng - Thư viện trường Đại học Sư phạm, Đại học Đà Nẵng Header Page of 126 MỞ ĐẦU dung dịch NaOH ñược áp dụng ñể xem xét hiệu Lý chọn ñề tài vật liệu Ô nhiễm môi trường nước vấn ñề ñược toàn xã Vì vậy, chọn ñề tài: “Nghiên cứu biến tính xơ dừa hội quan tâm Cùng với gia tăng hoạt ñộng công nghiệp việc Tam Quan ñể ứng dụng làm vật liệu hấp phụ số hợp chất hữu sản sinh chất thải nguy hại, tác ñộng tiêu cực trực tiếp ñến sức nước ” làm luận văn Thạc sĩ khỏe người hệ sinh thái Các hoạt ñộng khai thác mỏ, công Mục ñích nghiên cứu nghiệp thuộc da, công nghiệp ñiện tử, mạ ñiện, lọc hóa dầu hay công - Chế tạo VLHP từ xơ dừa nghệ dệt nhuộm… ñã tạo nguồn ô nhiễm chứa kim - Khảo sát khả hấp phụ yếu tố ảnh hưởng ñến khả loại nặng ñộc hại, hợp chất hữu cơ: metyl da cam, phenol, Ở Việt Nam ñang tồn thực trạng ñó nước thải hầu hết sở sản xuất ñược xử lí sơ chí thải trực tiếp hấp phụ VLHP chế tạo từ xơ dừa ñối với metyl da cam, phenol, xanh metylen môi trường nước - Thử xử lí số mẫu nước thải chứa metyl da cam, phenol môi trường Hậu môi trường nước kể nước mặt nước VLHP chế tạo ñược ngầm nhiều khu vực ñang bị ô nhiễm nghiêm trọng Vì vậy, bên cạnh Đối tượng nghiên cứu việc nâng cao ý thức người, xiết chặt công tác quản lí môi Xơ dừa Tam Quan – Bình Định trường việc tìm phương pháp nhằm loại bỏ ion kim loại Phương pháp nghiên cứu nặng, hợp chất hữu ñộc hại khỏi môi trường nước có ý nghĩa Ý nghĩa khoa học ñề tài to lớn Các phụ phẩm nông nghiệp ñó ñược nghiên cứu nhiều ñể sử dụng việc xử lý nước chúng có ưu ñiểm giá thành rẽ, - Phương pháp biến tính xơ dừa tạo loại xơ dừa có khả hấp phụ cao ñối với hợp chất hữu nước - Khảo sát yếu tố ảnh hưởng tìm ñiều kiện tối ưu vật liệu tái tạo ñược thành phần chúng chứa cho trình hấp phụ polime dễ biến tính có tính chất hấp phụ trao ñổi ion Cấu trúc luận văn gồm phần Ngoài phần mở ñầu kết luận, nội dung luận văn ñược cao Với mục tiêu tìm kiếm loại phụ phẩm nông nghiệp có khả chia thành chương: xử lý hiệu chất hữu ñộc hại nước, nghiên Chương 1: Tổng quan cứu chọn sản phẩm phụ nông nghiệp phổ biến Chương : Thực nghiệm Tam Quan – Bình Định xơ dừa ñể khảo sát khả hấp phụ Chương Kết thảo luận hợp chất hữu khỏi nước chúng Quá trình biến tính Footer Page of 126 Header Page of 126 CHƯƠNG TỔNG QUAN CHƯƠNG THỰC NGHIỆM 1.1 SỢI TỰ NHIÊN 2.1 NGUYÊN LIỆU, HÓA CHẤT VÀ DỤNG CỤ 1.1.1 Cấu trúc vi mô sợi tự nhiên [17] 2.1.1 Nguyên liệu 1.1.2 Thành phần hóa học, khả kết tinh tính 2.1.2 Hoá chất chất sợi tự nhiên [17], [18] 1.1.3 Biến ñổi hóa học ñặc ñiểm sợi tự nhiên 1.2 TỔNG QUAN VỀ CÂY DỪA 2.1.3 Dụng cụ thiết bị 2.2 PHƯƠNG PHÁP TIẾN HÀNH 2.2.1 Xác ñịnh ñộ ẩm 1.2.1 Đặc ñiểm nguồn gốc 2.2.2 Xác ñịnh thành phần hóa học xơ dừa trước biến tính 1.2.2 Tình hình trồng kinh doanh dừa giới 2.2.3 Xử lý sợi xơ dừa nước 1.3 XỬ LÍ SỢI XƠ DỪA 2.2.4 Xác ñịnh ñặc tính hoá lý nguyên liệu VLHP 1.3.1 Lý thuyết chung trình xử lý sợi [1], [2] 2.3 KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP PHỤ DUNG DỊCH METYL 1.3.2 Khả tiếp cận khả phản ứng xenlulozơ DA CAM, XANH METHYLENE VÀ PHENOL TRONG MÔI [1], [3] TRƯỜNG NƯỚC CỦA XƠ DỪA 1.4 GIỚI THIỆU VỀ PHƯƠNG PHÁP HẤP PHỤ CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 1.4.1 Hiện tượng hấp phụ [5], [6] 1.4.2 Hấp phụ vật lý 1.4.3 Hấp phụ hoá học [4], [5], [6] 3.1 XƠ DỪA 1.4.4 Hấp phụ môi trường nước [6] 1.4.5 Động học hấp phụ [4], [6] 1.4.6 Cân hấp phụ 1.4.7 Giới thiệu phương pháp phân tích trắc quang 1.4.8 Phương pháp kính hiển vi ñiện tử quét (SEM) [5] 1.4.9 Phương pháp hấp phụ ña phân tử BET 1.5 TỔNG QUAN VỀ PHENOL 1.5.1 Giới thiệu hợp chầt phenol dẫn xuất [ 27] 1.5.2 Hàm lượng cho phép Phenol dẫn xuất nước Footer Page of 126 Hình 3.2 Phổ hồng ngoại của nguyên liệu Header Page of 126 * Dựa vào phổ hồng ngoại nguyên liệu có pic ñặc trưng cho nhóm ñịnh chức phân tử xenlulozơ * Dựa vào ảnh Sem chụp kích thước 100 µm 500 µm cho thấy xơ dừa ban ñầu bề mặt gồ ghề thô ráp, có nhiều nếp gấp * Từ số liệu thu ñược, rút kết luận rằng, xơ dừa có diện tích bề mặt tương ñối lớn, vật liệu rắn xốp, thuộc loại có kích thước mao quản trung bình với hệ thống mao quản chuyển tiếp thứ cấp ñồng 3.2 KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ Hình 3.3 Ảnh SEM nguyên liệu TRÌNH XỬ LÝ SỢI 3.2.1 Xử lý nguyên liệu qua giai ñoạn a Xử lý tác nhân NaOH Hình 3.6 Ảnh hưởng thời gian nồng ñộ NaOH ñến phần trăm tách loại Qua hình 3.6 cho thấy lượng tạp chất bị tách nhiều Hình 3.4 Đuờng ñẳng nhiệt hấp phụ khử hấp phụ N2 nguyên liệu thời gian tăng nồng ñộ có biến thiêng: NaOH 0,1N ñến NaOH 0,5 N lượng tạp chất tách tăng, tăng nồng ñộ tăng từ 0,5 N ñến N lượng tạp chất tách giảm Đó Footer Page of 126 Header Page of 126 10 ngâm sợi thực vật dung dịch NaOH có hai trình ñồng Qua hình 3.7 cho thấy phần trăm bị tách loại tăng dần theo thời xảy ñó trình tách lignin, phần vô ñịnh hình tăng nồng ñộ thời gian Khi sử dụng tác nhân NaOH có thêm H2O2 trình NaOH tương tác với ñại phân tử holoxenlulozơ Khi phần trăm bị tách loại lớn sử dụng tác nhân NaOH nồng ñộ dung dịch NaOH thấp hòa tan phần vô ñịnh hình, thời gian nồng ñộ ñiều kiện thí nghiệm Cụ thể: xenlulozơ bị tác ñộng nhẹ Khi tăng nồng ñộ NaOH tăng thời 80 ứng với nồng ñộ NaOH 0,1N phần trăm bị tách loại ñạt gian xử lý trình tách phần vô ñịnh hình tăng không ñáng kể 27,8% Cũng ñiều kiện có thêm H2O2 phần hàm lượng chúng có sợi giới hạn, ñó trình trăm chất bị tách loại ñạt 38,1%, tức lượng tạp chất bị tách tăng tương tác NaOH mạch ñại phân tử holoxenlulozơ lại 10,3% Điều có mặt H2O2 oxi hóa lignin tăng môi trường kiềm sản phẩm sau bị oxi hóa hòa tan Thời gian nồng ñộ tốt ñể lượng tạp chất tách nhiều dung dịch kiềm làm tăng lượng chất tách Thời gian nồng 32 giờ, nồng ñộ NaOH 0,5 N Phần trăm bị tách loại ñạt ñộ thích hợp 16 NaOH 1N Phần trăm bị tách loại ñạt 35,8% 42,5% b Xử lý tác nhân NaOH + 5% H2O2 3.2.2 Khảo sát ảnh hưởng nhiệt ñộ ñến phần trăm bị tách loại trình xử lý sợi Hình 3.7 Ảnh hưởng thời gian nồng ñộ NaOH + 5% H2O2 ñến phần trăm bị tách loại Footer Page of 126 Hình 3.8 Ảnh hưởng nhiệt ñộ ñến phần trăm bị tách loại trình xử lý sợi Header Page of 126 11 12 Qua hình 3.8 ta thấy, lượng tạp chất bị tách nhiều Ở phổ IR VLHP thêm pic nhọn 3408 cm-1 dao nhiệt ñộ tăng Dựa vào ñồ thị 3.8 ta thấy nhiệt ñộ tăng ñến ñộng hóa trị ñặc trưng nhóm –OH tự Như chứng tỏ việc 60 C phần trăm bị tách loại tăng ñáng kể, sau ñó tăng chậm xử lý nguyên liệu tác dụng loại bỏ tạp chất hemixenlulozơ lignin mà có tác dụng phá vỡ số liên kết hydro gây trương mạch xenlulozơ Hình 3.12 Ảnh SEM VLHP1 Hình 3.10 Phổ hồng ngoại VLHP Hình 3.13 Ảnh SEM VLHP Qua ảnh SEM xơ dừa chưa biến tính xơ dừa ñã biến tính ñộ phóng ñại ñộ phân giải, thấy bề mặt xơ dừa ñã biến tính xốp hơn, có cấu trúc mao quản tương ñối ñồng ñều ñó có ñộ bền học cao, tâm hấp phụ ñồng ñều so với bề mặt xơ dừa chưa biến tính Hình 3.11 Phổ hồng ngoại VLHP Footer Page of 126 Hình 3.14 Đuờng ñẳng nhiệt hấp phụ khử hấp phụ N2 VLHP Header Page of 126 13 14 Hình 3.15 Đồ thị phương trình BET VLHP Hình 3.17 Đồ thị phương trình BET VLHP Hình 3.14 3.17 hình dạng ñường cong hấp phụ-giải hấp phụ thuộc dạng loại IV theo phân loại IUPAC Đồ thị có vòng khuyết (hiện tượng trễ) ñặc trưng cho tượng ngưng tụ mao quản vật liệu mao quản trung bình Từ số liệu thu ñược, rút kết luận rằng, xơ dừa có diện tích bề mặt tương ñối lớn, vật liệu rắn xốp, thuộc loại có Hình 3.16 Đuờng ñẳng nhiệt hấp phụ khử hấp phụ N2 VLHP Footer Page of 126 kích thước mao quản trung bình với hệ thống mao quản chuyển tiếp thứ cấp ñồng Header Page of 126 15 16 3.3 ĐỊNH LƯỢNG DUNG DỊCH METYL DA CAM, XANH METYLEN, PHENOL Hình 3.18 Đường chuẩn xác ñịnh nồng ñộ metyl da cam Hình 3.20 Đường chuẩn xác ñịnh nồng ñộ phenol 3.4 KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP PHỤ HỢP CHẤT HỮU CƠ TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC CỦA NGUYÊN LIỆU VÀ VẬT LIỆU HẤP PHỤ 3.4.1 Dung dịch metyl da cam a Khảo sát khả hấp phụ nguyên liệu VLHP Bảng 3.12 Hiệu suất hấp phụ tải trọng hấp phụ nguyên liệu VLHP Nguyên liệu Hình 3.19 Đường chuẩn xác ñịnh nồng ñộ xanh metylen Footer Page of 126 VLHP VLHP H (%) q (mg/g) H (%) q (mg/g) H (%) q (mg/g) 30,24 3,00 60,60 6,03 70,86 7,05 Header Page of 126 17 18 Nhận xét: Kết bảng 3.12 cho thấy nguyên liệu hai loại VLHP ñều có khả hấp phụ metyl da cam Tuy nhiên, so sánh dung lượng hấp phụ, hiệu suất hấp phụ nguyên liệu với hai loại VLHP ñối với metyl da cam nhận thấy khả hấp phụ hai loại VLHP tốt nguyên liệu Cụ thể: hiệu suất hấp phụ dung lượng hấp phụ VLHP cao lần, VLHP cao 2,35 lần so với nguyên liệu b Ảnh hưởng pH ñến khả hấp phụ VLHP Hình 3.22 Sự phụ thuộc tải trọng hấp phụ theo thời gian Từ kết chọn thời gian hấp phụ 120 phút cho nghiên cứu d Xác ñịnh tải trọng hấp phụ cực ñại Hình 3.21 Ảnh hưởng pH ñến khả hấp phụ Khi pH tăng từ – hiệu suất hấp phụ, tải trọng hấp phụ VLHP VLHP ñều tăng Trong khoảng pH từ 7- hiệu suất hấp phụ, tải trọng VLHP VLHP ñều giảm nhẹ Do ñó chọn pH dung dịch nghiên cứu ñể tiến hành thí nghiệm c Khảo sát thời gian ñạt cân hấp phụ Footer Page of 126 Hình 3.23 Sự phụ thuộc tải Hình 3.24 Sự phụ thuộc trọng hấp phụ vào nồng ñộ ñối Cf/q vào Cf ñối với metyl da cam với metyl da cam với VLHP1 VLHP1 Header Page 10 of 126 19 20 Hình 3.25 Sự phụ thuộc tải Hình 3.26 Sự phụ thuộc tải trọng hấp phụ vào nồng ñộ ñối trọng hấp phụ vào nồng ñộ ñối với metyl da cam với VLHP với metyl da cam với VLHP Kết cho thấy mô hình hấp thụ ñẳng nhiệt Langmuir mô tả xác hấp phụ metyl da cam lên chất hấp phụ Điều chứng tỏ metyl da cam ñược hấp phụ ñơn lớp VLHP Hình 3.27 Ảnh hưởng pH ñến khả hấp phụ Khi pH tăng từ – tải trọng hấp phụ VLHP VLHP ñều tăng Trong khoảng pH từ - 10 tải trọng VLHP 3.4.2 Dung dịch xanh metylen VLHP ñều giảm Do ñó chọn pH dung dịch nghiên cứu a Khảo sát khả hấp phụ nguyên liệu VLHP Bảng 3.17 Tải trọng hấp phụ xanh metylen nguyên liệu ñể tiến hành thí nghiệm c Khảo sát thời gian ñạt cân hấp phụ VLHP Nguyên liệu VLHP VLHP q (mg/g) q (mg/g) q (mg/g) 6,30 8,05 9,62 Hiệu suất hấp phụ dung lượng hấp phụ VLHP cao 1,27 lần, VLHP cao 1,53 lần so với nguyên liệu b Ảnh hưởng pH Hình 3.28 Sự phụ thuộc tải trọng hấp phụ theo thời gian Footer Page 10 of 126 Header Page 11 of 126 21 22 Kết cho xanh metylen ñược hấp phụ ñơn lớp Từ kết chọn thời gian hấp phụ 180 phút cho nghiên cứu VLHP d Xác ñịnh tải trọng hấp phụ cực ñại 3.4.3 Dung dịch phenol a Khảo sát khả hấp phụ nguyên liệu VLHP Bảng 3.22 Tải trọng hấp phụ nguyên liệu VLHP Nguyên liệu VLHP VLHP q (mg/g) q (mg/g) q (mg/g) 3,52 5,59 7,65 Kết bảng 3.22 cho thấy nguyên liệu hai loại VLHP ñều có khả hấp phụ phenol Tuy nhiên, so sánh dung Hình 3.29 Sự phụ thuộc tải Hình 3.30 Sự phụ thuộc lượng hấp phụ nguyên liệu với hai loại VLHP ñối với phenol trọng hấp phụ vào nồng ñộ ñối Cf/q vào Cf ñối với xanh metylen nhận thấy khả hấp phụ hai loại VLHP tốt với xanh metylen VLHP VLHP nguyên liệu Cụ thể: dung lượng hấp phụ VLHP cao 1,59 lần, VLHP cao 2,17 lần so với nguyên liệu b Ảnh hưởng pH Hình 3.31 Sự phụ thuộc tải Hình 3.32 Sự phụ thuộc trọng hấp phụ vào nồng ñộ ñối Cf/q vào Cf ñối với xanh metylen với xanh metylen VLHP VLHP Hình 3.33 Ảnh hưởng pH ñến khả hấp phụ Footer Page 11 of 126 Header Page 12 of 126 23 24 Từ kết ñược trình bày hình 3.33 chọn pH dung dịch nghiên cứu ñể tiến hành thí nghiệm c Khảo sát thời gian ñạt cân hấp phụ Hình 3.34 Sự phụ thuộc tải trọng hấp phụ theo thời gian Từ kết chọn thời gian hấp phụ 120 phút cho nghiên cứu d Xác ñịnh tải trọng hấp phụ cực ñại Hình 3.35 Sự phụ thuộc tải Hình 3.36 Sự phụ thuộc trọng hấp phụ vào nồng ñộ ñối Cf/q vào Cf ñối với phenol với phenol VLHP1 VLHP Footer Page 12 of 126 Hình 3.37 Sự phụ thuộc tải Hình 3.38 Sự phụ thuộc trọng hấp phụ vào nồng ñộ ñối Cf/q vào Cf ñối với phenol với phenol VLHP VLHP Kết chứng tỏ phenol ñược hấp phụ ñơn lớp VLHP Header Page 13 of 126 25 26 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ * Dung dịch metyl da cam tỷ lệ rắn/lỏng = 1/100 (g/ml), thời gian 120 phút, pH =7 Với ñiều kiện ñó tải trọng hấp phụ KẾT LUẬN Sau thời gian nghiên cứu luận văn ñã ñạt ñược số cực ñại sau: VLHP 14,71 (mg/g); VLHP 12,98 (mg/g) * Dung dịch phenol với tỷ lệ rắn/lỏng = 1/100 (g/ml) kết cụ thể sau: Thành phần hóa học xơ dừa thời gian 120 phút, pH =6 Với ñiều kiện ñó, tải trọng hấp phụ cực - Thành phần, hàm lượng xơ dừa trước biến tính: ñại sau:VLHP 10,3 (mg/g); VLHP 10,87 (mg/g) Xenlulozơ 42,24 %; Hemixenlulozơ 0,45 %; Lignin 44,48 % ; Chất * Dung dịch xanh metylen với tỷ lệ rắn/lỏng = 1/100 (g/ml) thời gian 180 phút, pH =4 Với ñiều kiện ñó, tải trọng hấp phụ hoà tan khác 12,83 % - Thành phần, hàm lượng xơ dừa sau biến tính: + VLHP 1: Xenlulozơ 48,64 %; Hemixenlulozơ cực ñại sau: VLHP 26,31 (mg/g); VLHP 41,67 (mg/g) Xơ dừa ñã biến tính ñiều kiện tối ưu có khả hấp phụ tốt nhiều so với chưa biến tính 0,41%; Lignin 42,42 % ; Chất hoà tan khác 8,53 % + VLHP 2: Xenlulozơ 53,72 %; Hemixenlulozơ KIẾN NGHỊ * Tiếp tục nghiên cứu trình biến tính tác nhân khác 0,35 %; Lignin 40,42 % ; Chất hoà tan khác 5,51% Đã tìm ñiều kiện tthích hợp cho trình biến tính xơ dừa NaOH NaOH + H2O2 nhằm thu ñược hiệu suất cao lên xơ dừa ñể làm vật liệu hấp phụ nhằm sử dụng có hiệu nguồn nguyên liệu sẵn có nước ta * Dùng xơ dừa biến tính hấp phụ ion kim loại là: - VLHP 1: nồng ñộ NaOH 0,5M; thời gian 32 - VLHP 2: nồng ñộ NaOH 1N + 5% H2O2 30%; thời gian 16 Việc tối ưu hóa thông số cho sản phẩm với: VLHP VLHP 35,8% 50,2% Diện tích bề mặt (m /g) 94,04 179,01 Đường kính mao quản (nm) 24,14 49,96 Thông số Phần trăm tách loại Đã khảo sát khả hấp phụ VLHP ñối với hợp chất hữu cơ: Footer Page 13 of 126 chất hữu khác nước thải * Nghiên cứu trình tái xử lý xơ dừa sau hấp phụ  ... tăng hoạt ñộng công nghiệp việc Tam Quan ñể ứng dụng làm vật liệu hấp phụ số hợp chất hữu sản sinh chất thải nguy hại, tác ñộng tiêu cực trực tiếp ñến sức nước ” làm luận văn Thạc sĩ khỏe người... NĂNG HẤP PHỤ HỢP CHẤT HỮU CƠ TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC CỦA NGUYÊN LIỆU VÀ VẬT LIỆU HẤP PHỤ 3.4.1 Dung dịch metyl da cam a Khảo sát khả hấp phụ nguyên liệu VLHP Bảng 3.12 Hiệu suất hấp phụ tải trọng hấp. .. NaOH + H2O2 nhằm thu ñược hiệu suất cao lên xơ dừa ñể làm vật liệu hấp phụ nhằm sử dụng có hiệu nguồn nguyên liệu sẵn có nước ta * Dùng xơ dừa biến tính hấp phụ ion kim loại là: - VLHP 1: nồng ñộ