MỤC LỤC 1.Tính cấp thiết của luận văn 2 2.Mục tiêu nghiên cứu 3 3.Đối tượng và các phương pháp nghiên cứu 3 3.1. Đối tượng nghiên cứu 3 3.2. Phương pháp nghiên cứu 3 4. Tổng quan các vấn đề nghiên cứu liên quan đến luận văn 4 4.1. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng về vật liệu polyme xốp cấu trúc nano trên thế giới 4 4.2. Tình hình nghiên cứu trong nước 6 5.Đối tượng và phương pháp nghiên cứu 7 5.1. Đối tượng nghiên cứu 7 5.2 Phương pháp nghiên cứu 7 6. Kết quả dự kiến 8 7. Tiến độ thực hiện 9 8. Tài liệu tham khảo 10
Trang 1BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI
KHOA MÔI TRƯỜNG
PHÙNG KHÁNH NGUYÊN
ĐỀ CƯƠNG LUẬN VĂN THẠC SĨ NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU POLYME XỐP CẤU TRÚC MAO QUẢN NANO ỨNG DỤNG ĐỂ XỬ LÝ CÁC KIM LOẠI NẶNG TRONG
MÔI TRƯỜNG NƯỚC
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH: KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG
Trang 2Hà Nội - Năm 2016
BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI
KHOA MÔI TRƯỜNG
Tên đề tài:
NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU POLYME XỐP CẤU TRÚC MAO QUẢN NANO ỨNG DỤNG ĐỂ XỬ LÝ CÁC KIM LOẠI NẶNG TRONG
MÔI TRƯỜNG NƯỚC
Ngành: Khoa học môi trường
Mã số:
Học viên thực hiện: Phùng Khánh Nguyên
Lớp:CH1MT Khóa: 2015-2017
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS Mai Văn Tiến
Đơn vị công tác: Khoa Môi Trường – Trường Đại học Tài nguyên MTHN
Trang 3
Hà Nội –Năm 2016
Trang 4MỤC LỤC
1 Tính cấp thiết của luận văn 2
2 Mục tiêu nghiên cứu 3
3 Đối tượng và các phương pháp nghiên cứu 3
3.1 Đối tượng nghiên cứu 3
3.2 Phương pháp nghiên cứu 3
4 Tổng quan các vấn đề nghiên cứu liên quan đến luận văn 4
4.1 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng về vật liệu polyme xốp cấu trúc nano trên thế giới 4
4.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 6
5 Đối tượng và phương pháp nghiên cứu 7
5.1 Đối tượng nghiên cứu 7
5.2 Phương pháp nghiên cứu 7
6 Kết quả dự kiến 8
7 Tiến độ thực hiện 9
8 Tài liệu tham khảo 10
Trang 51 Tính cấp thiết của luận văn
Hiện nay, môi trường và ô nhiễm môi trường đang là vấn đề thời sự nóng bỏng được cả thế giới quan tâm Nước là nguồn tài nguyên vô cùng quan trọng và cần thiết cho sự sống nhưng đang bị ô nhiễm nghiêm trọng Do đó việc xử lý ô nhiễm môi trường nước đang trở thành vấn đề được quan tâm không chỉ ở Việt Nam mà trên toàn thế giới [1]
Vật liệu polyme xốp, cấu trúc nano là loại vật liệu mới do có nhiều tính chất vượt trội so với các loại vật liệu tương tự từ vật liệu vô cơ như: vật liệu vô cơ xốp, than hoạt tính, nhôm oxit, gốm, clay, zeolit, rây phân tử , vật liệu hữu cơ: nhựa trao đổi ion, các loại gel polyme, polyme mạng lưới , thì vật liệu polyme xốp- cấu trúc nano cho độ bền, độ tách lọc cao hơn và quan trọng hơn là rất dễ tái sinh và tái sử dụng lại nhiều lần.Về kích thước, sự phân bố mao quản nano và diện tích bề mặt riêng của vật liệu polyme xốp có thể dễ dàng điều khiển thông qua phản ứng tổng hợp, biến tính hay hoạt hóa để có được các loại vật liệu có diện tích bề mặt riêng đủ lớn (từ vài trăm cho tới hàng ngàn m2/gam) và đường kính mao quản thay đổi từ vài đến vài chục
nm phù hợp cho nhiều mục đích ứng dụng khác nhau Chính vì vậy, vật liệu polyme xốp, cấu trúc nano có khả năng ứng dụng cho việc xử lý nước thải, xử lý và thu hồi kim loại nặng [2-5]
Hiện tại, nhu cầu về sử dụng vật liệu nhựa trao đổi ion ứng dụng trong xử lý ô nhiễm kim loại nặng trong nước thải và nước sinh hoạt ở nước ta đang có nhu cầu rất lớn, trong khi chúng ta vẫn đang phải nhập khẩu hoàn toàn các loại vật liệu này với chi phí cao Về bản chất vật liệu polyme xốp cấu trúc mao quản nano là vật liệu có bề mặt riêng lớn, ngoài ra thành phần chính của vật liệu được cấu thành từ các monome ban đầu là divinyl benzene với styren có cấu trúc tương tự như nhựa trao đổi ion Đây cơ
sở khoa học để chúng ta có thể chế tạo và ứng dụng vật liệu này để xử lý nước thải chứa kim loại nặng [6-8]
Về các phương pháp xử lý kim loại nặng trong môi trường hiện nay cũng có nhiều phương pháp đã được áp dụng ví dụ như: phương pháp hóa lý (phương pháp hấp phụ, phương pháp trao đổi ion, ), phương pháp sinh học, phương pháp hóa học Trong
đó phương pháp hấp phụ - trao đổi sử dụng vật liệu hấp phụ (VLHP), dưới dạng vật liệu xốp polyme cấu trúc mao quản Nano để tách loại và thu hồi và xử lý các kim loại nặng trong môi trường nước đang rất được quan tâm [9-10] Xuất phát từ những lý do
trên, tôi đề xuất hướng đề tài: “Nghiên cứu tổng hợp vật liệu polyme xốp cấu trúc mao quản nano ứng dụng để xử lý các kim loại nặng trong môi trường nước”, và
đặt ra mục tiêu nghiên cứu của đề tài như sau:
Trang 62 Mục tiêu nghiên cứu
Xây dựng quy trình tổng hợp và biến tính vật liệu polyme xốp, cấu trúc mao quản nano trên cơ sở Copolyme(P-divinyl benzen-styren), ứng dụng để xử lý nước thải chứa kim loại nặng độc hại Đánh giá được quá xử lý các ion kim loại nặng trong nước của vật liệu
3 Đối tượng và các phương pháp nghiên cứu
3.1 Đối tượng nghiên cứu
- Vật liệu mới ứng dụng trong xử lý môi trường: cụ thể là vật liệu polyme xốp, cấu trúc mao quản nano
- Inon kim loại nặng (KLN) độc hại trong nước
- Các phương pháp xử lý nước thải chứa ion kim loại nặng độc hại
3.2 Phương pháp nghiên cứu
a) Phạm vi nghiên cứu: Trong phòng thí nghiệm
- Về không gian: Luận văn được thực hiện tại Khoa Môi trường -Trường ĐH
Tài Nguyên &Môi trường Hà Nội
- Về thời gian: Thực hiện luận văn từ tháng 11 năm 2016 đến tháng 07 năm
2017
b) Phương pháp nghiên cứu
- Thu thập, tra cứu các tài liệu liên quan về vật liệu xốp polyme xốp cấu trúc mao quản nano, các phương pháp đo và xử lý kim loại nặng trong nước phục vụ cho luận văn
- Phương pháp tổng quan tài liệu: Tổng quan tài liệu về nghiên cứu tổng hợp và ứng dụng vật liệu polyme xốp-cấu trúc mao quản nano để xử lý nước thải chứa kim loại nặng từ nguồn tài liệu thứ cấp ( internet, sách tham khảo, tạp chí, báo cáo khoa học…)
- Phương pháp tổng hợp chế tạo vật liệu:
+ Sử dụng phương pháp đồng trùng hợp gốc tự do trong huyền phù để tổng hợp vật liệu polyme xốp cấu trúc mao quản nano trên hệ thiết bị tổng hợp hữu cơ
+ Sử dụng phản ứng thế vòng thơm với các tác nhân clometyl, sunfo hóa để biến tính và hoạt hóa vật liệu
- Về phân tích:
+ Sử dụng các phương pháp hóa lý hiện đại để xác định đặc trưng, cấu trúc, hình thái của vật liệu như: Phổ hồng ngoại (IR), phân tích tính chất nhiệt (TGA, DSC),
Trang 7kính hiển vi điện tử quét (SEM, TEM) để đánh giá hình thái cấu trúc bề mặt, hấp phụ BET để xác định diện tích bề mặt và sự phân bố cấu trúc mao quản nano, tán xạ lazer
để phân tích sự phân bố kích thước hạt…
+ Sử dụng các tiêu chuẩn: ISO, ASTM, TCVN… để phân tích xác định các tính chất cơ, lý
+ Phân tích xác định các chỉ tiêu thành phần hàm lượng kim loại, trong môi trường nước bằng các phương pháp theo tiêu chuẩn trên các thiết bị phân tích hiện đại như: UV- Vis, AAS, AES, GC-MS, HPLC…
- Về thử nghiệm đánh giá ứng dụng vật liệu:
+ Sử dụng các phương pháp truyền thống trên thiết bị chuyên dụng để thử nghiệm đánh giá các kết quả thử nghiệm
+ Sử dụng mô hình tĩnh và mô hình động để đánh giá thử nghiệm khả năng ứng dụng xử lý kim loại nặng trong nước của vật liệu
- Sử dụng phương pháp phân tích, thống kê, so sánh để đánh giá kết quả nghiên cứu
4 Tổng quan các vấn đề nghiên cứu liên quan đến luận văn
4.1 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng về vật liệu polyme xốp cấu trúc nano trên thế giới
Ngày nay, trong lĩnh vực nhựa trao đổi ion và kỹ thuật hấp phụ người ta đã đạt được những tiến bộ đáng kể nhờ phát triển các vật liệu mới Ưu thế của loại vật liệu này là có diện tích bề mặt riêng và thể tích lỗ xốp lớn Từ quá trình tổng hợp có thể thay đổi các thông số về kích thước mao quản của lỗ xốp và diện tích bề mặt riêng trong một khoảng rộng nhằm phù hợp cho các mục đích ứng dụng khác nhau
Vật liệu polyme xốp, cấu trúc mao quản nano là loại vật liệu mới hiện tại đang được đặc biệt quan tâm nghiên cứu bởi các lý do: so với các loại vật liệu tương tự từ vật liệu vô cơ như: vật liệu vô cơ xốp, than hoạt tính, nhôm oxit, gốm, clay, zeolit, rây phân tử , vật liệu hữu cơ: nhựa trao đổi ion, các loại gel polyme, polyme mạng lưới , thì vật liệu polyme xốp- cấu trúc nano cho độ bền, độ tách lọc cao hơn và quan trọng hơn là rất dễ tái sinh và tái sử dụng lại nhiều lần
Bản chất vật liệu polyme xốp, cấu trúc mao quản nano tương tự như các loại nhựa trao đổi ion Trong thành phần cấu trúc của vật liệu polyme xốp, cấu trúc nano có chứa vòng thơm cộng với việc biến tính, xử lý và hoạt hóa bề mặt có tác dụng làm tăng diện tích bề mặt riêng tức là tăng khả năng hấp phụ trao đổi, ngoài ra còn có tác dụng tạo ra các nhóm chức hoạt động, làm tăng khả năng trao đổi ion và tạo liên kết phối trí để
Trang 8tách loại kim loại nặng Chính điều này làm cho vật liệu polyme xốp, cấu trúc nano có khả năng ứng dụng cho việc xử lý nhiều loại nước thải có chứa các kim loại nặng độc hại khác nhau [15,16]
Để tổng hợp vật liệu copolyme xốp từ mono divinylbenzen và styrene có thể áp dụng công nghệ đồng trùng hợp mạch gốc là: trùng hợp khối, trùng hợp trong dung dịch, trùng hợp huyền phù và trùng hợp nhũ tương [5,8,11] Polyme cấu trúc lỗ xốp của copolyme(divinylbenzene- styrene) (DVB-S) đã được Erol Erbay và Okay.O.U nghiên cứu tổng hợp Nghiên cứu cho thấy cấu trúc xốp mao quản của copolymer (DVB-S) với hàm lượng tỷ lệ DVB khác nhau được điều chế trong sự có mặt của hỗn hợp dung môi cyclohexanol – toluene, các lỗ xốp có bán kính khoảng 100 nm, tương ứng với các khe hở giữa các vi cấu trúc Độ lớn của cấu trúc lỗ xốp tăng khi có sự tương tác giữa polyme- với dung môi pha loãng trong quá trình hình thành gel tăng lên cùng với mật độ tạo liên kết ngang [14]
Việc biến tính và hoạt hóa bề mặt có thể sử dụng phản ứng Fridel – Crafts, phản ứng thế vòng thơm, clomethyl hóa, sufo hóa vòng thơm… đây là các phản ứng điển hình để tạo ra các nhóm chức hoạt động [15,16] Claudio Andrés Toro, Raúl Rodrigo, Jorge Cuellar [18], đã tiến hành nghiên cứu và biến tính copoly(divinylbenzene-styrene) bằng phản ứng sulfo hóa Mức độ sulfo hóa của copoly(divinylbenzene-styrene) được đánh giá thông qua khả năng trao đổi cation của vật liệu, phụ thuộc vào các yếu tố liên quan đến quá trình trùng hợp, chẳng hạn như tỷ lệ divinylbenzene (% DVB) và các phần monome khác được thêm vào hỗn hợp trong quá trình trùng hợp, quá trình sulfo hóa như: nhiệt độ, thời gian thực hiện phản ứng sulfo hóa Sanja.M và Ivica [19] đã
sử dụng isocyanuric axit trong dung dịch triethylamin để hoạt hóa bề mặt của copoly(divinyl benzene-styrene) để thu được polyme có khả năng hấp phụ polyphenol cao
Trên thế giới vật liệu polyme xốp, cấu trúc nano đã được nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực ví như: Aniela leistner và cộng sự đã sử dụng polyme xốp cấu trúc mao quản trong việc lọc máu [8,9], xử lý, tách loại và thu hồi các kim loại quý, các hoạt chất có giá trị kinh tế cao, thu hồi thuốc và chất kháng sinh [7,8] Việc ứng dụng vật liệu này trong việc xử lý nước chứa các kim loại nặng cũng rất phổ biến
Trang 94.2 Tình hình nghiên cứu trong nước
Trong những năm gần đây, vấn đề ô nhiễm môi trường đang là mối quan tâm hàng đầu tại nhiều quốc gia trong đó có Việt Nam Với sự phát triển vượt bậc của xã hội và khoa học kỹ thuật cùng với tốc độ phát triển mạnh của các ngành công nghiệp, tại Việt Nam, nhiều khu công nghiệp, khu khai thác quặng, nhà máy công nghiện điện
tử, nhà máy thuộc da dần được hình thành, kéo theo là lượng chất thải và nước thải phát sinh ngày càng nhiều Nói chung ô nhiễm các kim loại nặng là một trong những chất thải độc hại và rất khó xử lý hiện nay (Pb, Cu, Zn, ), là nguyên nhân chính trực tiếp ngây nên tình trạng ô nhiễm môi trường sống và nhiều căn bệnh hiểm nghèo và nguy cơ tiềm ẩn gây ra bệnh ung thư Nếu không biện pháp xử lý hợp lý, hiệu quả, lượng chất thải và nước thải từ các quá trình sản xuất công nghiệp và sinh hoạt sẽ gây nên tình trạng ô nhiễm môi trường nghiêm trọng gây hủy hoại hệ sinh thái, ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe và đời sống của con người
Trước thực trạng trên, Việt Nam đã ban hành nhiều biện pháp quản lý, giải pháp về công nghệ mới cũng như nghiên cứu và ứng dụng các loại vật liệu mới để xử
lý môi trường ô nhiễm Hiện nay có rất nhiều biện pháp xử lý giảm thiểu và loại bỏ các chất gây ô nhiễm này đã được nghiên cứu và ứng dụng Có thể chia làm 3 nhóm chính : phương pháp vật lýi, phương pháp hóa họcii và phương pháp sinh học Phương pháp vật lý có nhiều ưu điểm trong việc loại bỏ các tạp chất có kích thước lớn bằng các màng lọc hay phương pháp hấp phụ bằng than hoạt tính Các phương pháp này có
ưu điểm là giá thành thấp nhưng hiệu suất không cao, dễ bị đóng cặn Phương pháp hóa học được sử dụng với mục đích chuyển đổi thành phần chất thải, làm chúng biến mất hoặc giảm độc tính của nó bằng phương pháp oxy hóa Tuy nhiên sản phẩm phụ hình thành của phương pháp nàycó thể gây ô nhiễm môi trường xung quanh Phương pháp sinh học thường được dùng để chuyển hóa các chất ô nhiễm độc hại thành dạng không độc cho môi trường Bên cạnh đó, việc xử lý sinh học đòi hỏi hệ thống phức tạp với nhiều thông số môi trường cần kiểm soát (pH, tải trọng, nồng độ của các chất vi lượng ) Để khắc phục các nhược điểm này, trên thế giới đã có những nghiên cứu mới
sử dụng phương pháp hóa˗lý kết hợp với công nghệ nano ứng dụng cho việc xử lý hấp phụ các kim loại nặng trong môi trường nước
Về nghiên cứu tổng hợp và ứng dụng vật liệu polyme xốp, cấu trúc mao quản nano trong nước hiện nay còn khá mới mẻ, tuy vậy cũng đã có một số công trình nghiên cứu thăm dò và đã đạt được một số kết quả nhất định là đã tổng hợp được vật liệu
Trang 10polyme xốp cấu trúc mao quản nano và định hướng ứng dụng để tách các hoạt chất có giá trị kinh tế cao [4] Ví dụ như: nhóm tác giả Viện công nghệ môi trường với hướng nghiên cứu “Nghiên cứu chế tạo bộ dụng cụ lọc ceramic xốp cố định nano bạc dùng cho mục đích làm sạch nước quy mô gia đình” Nhóm tác giả Viện Hàn Lâm Khoa học
và công nghệ Việt Nam với hướng nghiên cứu “ Nghiên cứu chế tạo và ứng dụng thành công hệ thống xử lý nước nhiễm asen và kim loại sử dụng công nghệ NanoVAST” [2] Đề tài Khoa học công nghệ cấp Bộ: “Xây dựng quy trình điều chế vật liệu Polyme xốp (Spatial Globular Structure) SGS-NT8 Dùng để xử lý nước thải, bước đầu tách thử UO22+ khỏi nước thải trong quá trình tách URANI” Nhóm các tác giả tại Trường Đại học KHTN- ĐHQGHN với định hướng nghiên cứu sử dụng các loại vật liệu nano của một số kim loại và nano oxít kim loại như (Ag, Fe, TiO2, CeO2, MnO ) trong việc xử lý môi trường nước [3]
Ở Việt Nam hiện nay, nghiên cứu tổng hợp và ứng dụng vật liệu polyme xốp, cấu trúc mao quản nano hay vật liệu polyme chức năng còn ít được quan tâm, đặc biệt
là nghiên cứu tổng hợp và ứng dụng vật liệu polyme xốp, cấu trúc mao quản nano để
xử lý nước thải nói chung và nước thải chứa các kim loại nặng độc hại nói riêng Do
đó, việc nghiên cứu chế tạo và ứng dụng vật liệu polyme xốp, cấu trúc nano ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệp và sinh hoạt hiện nay là cần thiết, có ý nghĩa về mặt khoa học và thực tế ứng dụng
5 Đối tượng và phương pháp nghiên cứu
5.1 Đối tượng nghiên cứu
- Vật liệu mới ứng dụng trong xử lý môi trường: cụ thể là vật liệu polyme xốp cấu trúc mao quản nano
- Các kim loại nặng trong nước và nước thải công nghiệp
- Các phương pháp xử lý nước thải chứa kim loại nặng
5.2 Phương pháp nghiên cứu
5.2.1 Phạm vi nghiên cứu: Trong phòng thí nghiệm
- Về không gian: Luận văn được thực hiện tại Khoa Môi trường -Trường ĐH
Tài Nguyên &Môi trường Hà Nội
- Về thời gian: Thực hiện luận văn từ tháng 11 năm 2016 đến tháng 07 năm
2017
5.2.2 Phương pháp nghiên cứu