DSpace at VNU: Nghiên cứu biến tính phụ phẩm từ cây đay làm vật liệu xử lý một số kim loại nặng trong nước

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI ẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - PHẠM THỊ DINH NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH PHỤ PHẨM TỪ CÂY AY LÀM VẬT LIỆU XỬ LÝ MỘT SỐ KIM LOẠI NẶ LUẬN VĂ HẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2015 O ỚC ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI ẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Phạm Thị Dinh NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH PHỤ PHẨM TỪ CÂY AY LÀM VẬT LIỆU XỬ LÝ MỘT SỐ KIM LOẠI NẶ O : Kỹ thuật môi trường : 60520320 LUẬN VĂN THẠ SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS ĐỖ QUANG HUY HÀ NỘI – 2015 ỚC L I CẢM Ơ Lời đầu tiên, với lòng biết ơn kính trọng sâu sắc, tơi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Đỗ Quang Huy, Bộ môn Công nghệ Môi trường, Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên giao đề tài trực tiếp hướng dẫn, tận tình giúp đỡ tơi suốt q trình thực luận văn Cảm ơn thầy tâm huyết dẫn góp ý để tơi hồn thành luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn thầy cô thuộc Bộ môn Công nghệ môi trường, Bộ môn Thổ nhưỡng môi trường đất, Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi để tơi học tập làm việc suốt thời gian nghiên cứu Tôi xin cảm ơn tới ThS Bùi Trung Thành, Trung tâm Nghiên cứu công nghệ xử lý mơi trường, Bộ Quốc phòng cộng tác q trình thực đề tài Tơi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè ln quan tâm động viên đóng góp ý kiến giúp đỡ tơi suốt q trình hồn thiện luận văn Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, tháng năm 2015 Học viên Phạm Thị Dinh i MỤC LỤC LỜI CẢ ƠN i DANH MỤC BẢNG iv DANH MỤC HÌNH ẢNH iv DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT vii MỞ ĐẦU .1 Chương – TỔNG QUAN .3 1.1 Xử lý kim loại nặ tro ước vật liệu có nguồn gốc thực vật .3 1.1.1 Hiện trạng ô nhiễm kim loại nặng nước 1.1.2 Xử lý kim loại nặng nước sinh khối thực vật 1.2 Đặc điểm sinh học câ đa 22 1.3 Tình hình sản xuất đa tr 1.4 Các ả ưở 1.5 Tiềm ă to t ế giới 23 môi trường câ đa v sản phẩm từ đa 25 sử dụng phụ phẩm câ đa l m vật liệu xử lý ô nhiễm môi trường 27 Chương - ỐI Ợ VÀ PH Ơ PHÁP HIÊ CỨU 30 2.1 Đối tượng nghiên cứu .30 2.2 P ươ p áp i cứu 30 2.2.1 Phương pháp biến tính vật liệu .30 2.2.2 Xác định đặc tính vật liệu .34 2.2.3 Khảo sát khả hấp phụ ion kim loại nặng vật liệu biến tính 36 Chương - KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 37 3.1 Đặc tí bột t â đa .37 ii 3.1.1 Đặc điểm hình thái bề mặt bột thân đay 37 3.1.2 Đặc điểm cấu trúc bột thân đay .38 3.1.3 Đặc điểm liên kết, nhóm chức 39 3.2 Quy trình biến tính tạo vật liệu amidoxime hóa từ bột t â đa .40 3.2.1 Xử lý dung dịch NaOH 40 3.2.2 Đồng trùng hợp ghép acrylonitrile lên bột thân đay hệ khơi mào natri bisunphit/amoni pesunphat (SB/APS) 45 3.2.3 Phản ứng amidoxime hoá 52 3.3 Đặc tính vật liệ đ biến tính .56 3.4 Khả ă xử lý kim loại nặng (Cu2+, Zn2+, Ni2+) vật liệ đ biến tính .60 3.4.1 Xác định giá trị pH xử lý 60 3.4.2 Xác định hệ số hấp phụ vật liệu biến tính với ion KLN 60 3.4.3 Xác định thời gian lưu tối ưu cho trình xử lý ion KLN (Zn2+, Ni2+, Cu2+) vật liệu biến tính .65 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO 69 PHỤ LỤC 76 iii DA H MỤC BẢ Bảng Nồ độ kim loại nặ tro ước thải số sở sản xuất .4 Bảng Diệ tíc , ă s ất sả lượ đa tơ tỉnh Long An .24 Bảng Diệ tíc , ă s ất sả lượ đa câ tỉnh Long An .25 Bảng Thành phầ di Bảng Ả dưỡng có phận câ đa 26 ưởng điều kiện phản ứ đến khả ă ép AN l bột thân đa 33 Bả P ươ p áp xác định số tính chất vật lý, hóa học vật liệu 35 Bảng Kết xác đị d lượng hấp phụ vật liệu .61 Bảng Các hệ số hấp phụ đẳng nhiệt vật liệu với Zn2+, Ni2+ Cu2+ 63 DA H MỤC HÌ H Ả H Hì c ế phá hủy enzym kim loại nặng .3 Hình Cấu trúc vách tế bào mặt cắt ngang vi sợi Hình Cấu trúc phân tử cellulose .7 Hình Cấu trúc phân cấp cellulose .7 Hình Vùng tinh thể v vù vơ định hình cellulose Hình Cấu trúc hóa học hợp chất hemicellulose Hình Cấu trúc hóa học lignin 10 Hình Phản ứng este hóa cellulose axit xitric 17 Hì Sơ đồ p ươ p áp biến tính polyme 18 Hình 10 Các nhóm chức ghép nối vào cellulose tạo vật liệu có nhiề đặc tính tốt .21 Hì 11 â đa (Hibisc s a abi s) 23 iv Hình 12 Tỷ trọng sản xuất đa tr t ế giới 24 Hình 13 Vị trí đỉnh nhiễu xạ đặc trư cellulose I (a) cellulose II (b) phổ nhiễu xạ tia X 31 Hình 14 Ảnh SEM bề mặt bột t â đa 37 Hình 15 Phổ nhiễu xạ tia X bột t â đa 38 Hình 16 Phổ hấp thụ hồng ngoại bột t â đa 39 Hình 17 Ả ưởng nồ độ NaOH đến khối lượng lại v m lượng cellulose bột t â đa .40 Hình 18 Phổ nhiễu xạ tia X bột t â đa ba đầu xử lý nồ độ dung dịch NaOH khác 41 Hình 19 Sự biế đổi số tinh thể cellulose bột t â đa k i xử lý với dung dịch NaOH nồ độ khác .42 Hình 20 Phổ hấp thụ hồng ngoại bột t â đa ba đầu xử lý nồ độ NaOH khác 43 Hình 21 Ả ưởng tỷ lệ SB/APS đến khả ă ép AN l bột t â đa 46 Hình 22 Ả ưởng tổng nồ độ hệ k m o đến khả ă ép AN lên bột t â đa 48 Hình 23 Ả ưởng tỷ lệ khối lượ AN/đa đến khả ă ép AN lên bột t â đa 49 Hình 24 Ả ưởng thời gian phản ứ đến khả ă ép AN l bột thân đa 50 Hình 25 Ả ưởng nhiệt độ đến khả ă ép AN l bột t â đa 51 Hình 26 Ả ưởng nồ Hình 27 Ả ưởng nhiệt độ phản ứng .53 Hình 28 Ả ưởng thời gian phản ứng 54 độ NH2OH.HCl .52 v Hình 29 Quy trình biến tính tạo vật liệu amidoxime hóa từ bột t â đa .55 Hì 30 Đặc điểm hình thái bề mặt bột t â đa ba đầ (a), đa xử lý NaOH 15% (b), đa đ ép AN (c) v vật liệ đ biến tính (d) 56 Hình 31 Phổ hấp thụ hồng ngoại bột t â đa ba đầu (a), sau xử lý NaOH 15% (b) ghép AN (c) .57 Hình 32 Phổ hấp thụ hồng ngoại vật liệu 58 Hình 33 Thế zeta bột t â đa ba đầu, sau xử lý NaOH 15% vật liệu .59 Hì 34 Điện tích âm bề mặt vật liệ đ biến tính pH khác 60 Hì 35 P ươ trì ấp phụ đẳng nhiệt Freundlich (a) Langmuir (b) vật liệu với Zn2+, Ni2+ Cu2+ 62 Hình 36 Phản ứng tạo phức vật liệu amidoxime hóa ion Cu2+ 64 Hình 37 Các phản ứng tạo thành vật liệu amidoxime hóa phản ứng tạo phức vật liệu với ion KLN 64 Hình 38 Phức chất hai nhóm chức amidoxime ion KLN 65 Hình 39 Hiệu suất xử lý kim loại (Zn2+, Ni2+, Cu2+) theo thời gian vật liệu .66 vi ÀI LIỆU HAM KHẢO Tiếng Việt N ễ trì i , P a T ị Bíc Trâm, N t ực tập si Trươ T ị Hạ acrylonitrile l óa”, Trườ , N ễ ễ T ịT Đại ọc ầ T Q ốc Hiế , H c iti bằ T ủ (2005), “Giáo kĩ t T úc H (2011), “G ép ật xạ để ấp p ụ kim loại ặ độc (As (v), Cd2+), Tạp chí Khoa học Công nghệ, 49(2), pp 73-80 L T a Hư “N i , P ạm T Q â ,L k ả ă i Tâm, N ễ X â T ơm (2008), ấp p ụ v trao đổi io xơ dừa v vỏ trấ biế tính”, Tạp chí Phát triển KH&CN, 11(08), tr 5-11 Trần Lệ i (2012), “N i cứu xử lý kim loại nặ nguồn gốc thực vật”, L ận án tiế sĩ ô tro ước vật liệu ệ môi trườ , Trườ Đại học Bách Khoa Hà Nội Trần Thị P ươ (2012), “P â tíc v đá iá m lượng kim loại nặng số nhóm sinh vật hai hồ Trúc Bạch Thanh Nhàn Thành phố Hà Nội”, L ậ vă T ạc sĩ Si t ọc, Trườ Đại học Khoa học Tự nhiên Trịnh Thị T a (2003), “Độc học, môi trường sức khỏe co ười”, N xuất bả Đại học Quốc gia Hà Nội Trần Thị Hồng Thắm (2011), “N i cứu xây dự q vụ cho vùng nguyên liệu sản xuất bột giấy đồ trì ca tác đa p ục t áp mười”, Báo cáo tổng kết kết thực hiệ đề tài thuộc dự án khoa học công nghệ nông nghiệp vốn vay ADB, Bộ Nông nghiệp Phát triển nông thôn Tiếng Anh Abdullah A B M., “Ecolo ical a d eco omic attrib tes of J te a d Nat ral fibre for sustainable Eco- a a eme t”, Primeasia U iversit 69 Ahmed Ismail Mustafa, Md Saiful Alam , Md Nurul Amin, Newas Mohammad Ba ad r a d d A sa Habib (2008), “P e ol Removal from Aq eo s S stem b J te Stick”, Pak J Anal Environ Chem, 9(2), pp 92-95 10 Alka Shukla, Yu-Hui Zhang, P Dubey, J.L Margrave, Shyam S Shukla (2002), “T e role of sawd st i t e removal of nwanted materials from water”, Journal of Hazardous Materials, B95, PP 137-152 11 A ir d a T S., Div a L., Bri le D., S c it P S (2010), “Removal of Copper(II) and Zinc(II) from Aqueous Solutions Using a LignocellulosicBased Polymeic Adsorbent Containing Amidoxime Chelating Functional Gro ps”, Separation Science and Technology , 45, pp 2383–2393 12 A a Demirbas (2009), “A ric lt ral based activated carbo s for t e removal of d es from aq eo s sol tio s: A review”, Journal of Hazardous Materials, 167, pp 1–9 13 B attac ar a A., pol mers Tec isra B.N (2004), “Grafti : a versatile mea s to modif iq es, factors a d applicatio s”, Prog Polym Sci., 29, pp 767–814 14 Chang Geun Yoo (2012), “Pretreatme t a d fractio atio of li ocell losic biomass for production of biofuel and value-added prod cts”, Grad ate Thesis and Dissertations Paper 12700 15 Chao Xu, Jingjing Wang, Tilong Yang, Xia Chen, Xunyue Liu, Xingcheng Di (2015), “Adsorptio of polyAcrylonitrile, si i m b amidoximated c itosa -grafted respo se s rface met odolo ”, Carbohydrate Polymes, 121, pp 7985 16 e Qi , Nattaka So keabkaew, Ni Xi a , To Peijs (2008), “T e effect of fibre volume fraction and mercerization on the properties of all-cellulose composites”, Carbohydrate Polymes, 71, pp 458–467 70 17 Das J., Mohanty A K., Singh B (1989), “Fe to ’s Rea e t Initiated Graft Copolymeization of Methyl Methacrylate o to J te Fibers”, Textile Research Journal, pp 525-529 18 David William O’ o ell, oli Birki s aw, T omas Fra cis O’Dw er (2008); “Heav metal adsorbe ts prepared from t e modificatio of cell lose: A review”, Bioresource Technology, 99, pp 6709–6724 19 D iraj S d, Garima a aja , P Ka r (2008), “A ric lt ral waste material as potential adsorbent for sequesteing heavy metal ions from aqueous solutions – A review”, Bioresource Technology, 99, pp 6017-6027 20 Eddy M.F.M Yusslee, Lutfor M.R., Dahon N.H., Arshad Sazmal E (2015), “Synthesis Of Chemically Modified Silica Gel With Amidoxime And Its Adsorption Performance For The Removal Of Copper(II) And Lead(II) From Aqueous Phase”, Journal of Applied Science and Agriculture, 10(5), pp 24-32 21 Gopal Pa da, S jo K Das, Ar K G a (2009), “J te stick powder as a potential biomass for the removal of congo red and rhodamine B from their aq eo s sol tio ”, Journal of Hazardous Materials, 164, pp 374–379 22 Hany El-Hamshary, Mohamed H El-Newehy, Salem S Al-Deyab (2011), “Oxidatio of P e ol b H dro e Peroxide atal zed b etal-Containing Poly(amidoxime) Grafted Starc ”, Molecules, 16, pp 9900-9911 23 Harmse P.F.H (2010), “Literat re Review of P sical a d Pretreatme t Processes for Li emical ocell losic Biomass”, Energy research Centre of the Netherlands, ECN-E 10-013 71 24 Joana M Dias, Maria C.M Alvim-Ferraz, Manuel F Almeida, José RiveraUtrilla, Manuel Sánchez-Polo (2007), “Waste materials for activated carbo preparation and its use in aqueous-p ase treatme t: A review”, Journal of Environmental Management, 85, pp 833-846 25 Isabel Villaescusa, Núria Fiol, María Martínez, Núria Miralles, Jordi Poch, Joan Serarols (2004), “Removal of copper a d ickel io s from aq eo s sol tio s b rape stalks wastes”, Water Research, 38, pp 992-1002 26 Israt Jahan M., Abdul Motin M., Moniuzzaman M., Asadullah M (2008), “Arsenic removal from water using activates carbon obtained from chemical activatio of j te stick”, Indian Journal of Chemical Technology, 15, pp 413-416 27 Joana M Dias, Maria C.M Alvim-Ferraz, Manuel F Almeida, Jose´ RiveraUtrilla, Manuel Sa´nchez-Polo (2007), “Waste materials for activated carbon preparation and its use in aqueous-p ase treatme t: A review”, Journal of Environmental Management, 85, pp 833–846 28 Kalia S., Sabaa M.W (2013), “Polysaccharide Based Graft Copolymes”, Verlag Berlin Heidelberg 29 Kamarul Izhan Bin Soh (2010), “Graft copol merizatio met acr late o to rice of met l sk”, Bachelor of Chemical Engineering thesis, Universiti Malaysia Pahang 30 K llar R., Vars e V K., Nait a i S., So i P L (2008), “Grafti of Acrylonitrile onto cellulosic material derived from bamboo (Dendrocalamus strict s)”, Express Polymer Letters, 2(1), pp 12–18 31 Lee H V., Hamid S B A., Zai S K (2014), “ o versio of Li Biomass to Na ocell lose: Str ct re a d World Journal, pp 1-20 72 ocell losic emical Process”, The Scientiic 32 Leonard Y Mwaikambo, Martin P Ansell (2002), “ emical odificatio of Hemp, Sisal , J te , a d Kapok Fibers b Alkalizatio ”, Journal of Applied Polyme Science, 84, pp 2222–2234 33 Li arlsso (2014), “S rface modification of cellulose by covalent grafting a d p sical”, Doctoral Thesis , KTH Chemical Science and Engineering 34 Luiz Pereira Ramos (2003), “T e c emistr i volved i t e steam treatme t of li ocell losic materials”, Quim Nova, Vol.26, No.6, 863-871 35 María Martisnez, Núiria Miralles, Soraya Hidalgo, Núria Fiol, Isabel Villaesc sa, Jordi Poc (2006), “Removal of lead(II) a d cadmi m(II) from aq eo s sol tio s si rape stalk waste”, Journal of Hazardous Materials, Vol.133, pp 203-211 36 Mehmet Emin Argun, Şükrü Dursun (2006), “Removal of eav metal io s si c emicall modified adsorbe ts”, J Int Environmental Application & Science, Vol 1(1-2), pp 27-40 37 Mohammad Asadullah, Mohammad Asaduzzaman, Mohammad Shajahan Kabir, “ Mohammad Golam Mostofa, Tomohisa Miyazawa (2010), emical a d str ct ral eval atio of activated carbo prepared from j te sticks for Brillia t Gree d e removal from aq eo s sol tio ”, Journal of Hazardous Materials ,174, pp 437–443 38 Nursel Pekel, N retti Şa i er, Ol Güve (2000), “Developme t of ew chelating hydrogels based on N-vinyl imidazole and acrylonitrile”, Radiation Physics and Chemistry, 59, pp 485-491 39 Paavo Mansikkamӓki, a La ti e , Kari Rissa e (2007), “T e co versio from cellulose I to cellulose II in NaOH mercerization performed in alcohol–water systems: An X-ra powder diffractio st d ”, Carbohydrate Polymes, 68, pp 35–43 73 40 Pengju Lv, Yuezhen Bin, Yongqiang Li, Ru Chen, Xuan Wang, Baoyan Zhao (2009), “St dies o raft copol meizatio of c itosa wit Acrylonitrile by t e redox s stem”, Polyme, 50, pp 5675–5680 41 P šić T., Gra carić A , Soljačić I., Ribitsch V (1999), “T e effect of mercerisatio o t e electroki etic pote tial of cotto ”, JSDC, 115, pp 121124 42 Rao Lei, Xu Jie, Xu Jun, Zhan Ruiyun (1994), “Structure and Properties of Polyvinyl Alcohol Amidoxime Chelate Fiber”, Journal of Applied Polymer Science, 53, pp 325-329 43 Román-Aguirr M., Márquez-Lucero A., Zaragoza-Contreras E.A (2004), “El cidati t e raft copol meizatio of met l met acrylate onto wood- fiber”, Carbohydrate Polymes, 55, pp 201–210 44 Sanna Hokkanen (2014), “ odified a o a d microcell lose based adsorptio materials i water treatme t”, Thesis of Doctor of Science, Lappeenranta University of Technology 45 Segal L., Creely J J., arti A E., Jr., o rad (1959), “A Empirical Method for Estimating the Degree of Crystallinity of Native Cellulose Using the X-Ra Diffractometer”, Textile Research Journal, pp 786-793 46 So vik Ba erjee, Dastidar G (2005), “Use of j te processing wastes for treatme t of wastewater co tami ated wit d e a d ot er or a ics”, Bioresource Technology, 96 (2005) 1919–1928 47 Wa N a W.S., Ha afia A.K (2008), “Removal of eav metal io s from wastewater by chemically modified plant wastes as adsorbents: A review”, Bioresource Technology, 99.3935–3948 48 Yanping Liu, Hong Hu (2008), “X-ray Diffraction Study of Bamboo Fibers Treated wit NaOH”, Fibers and Polymes, 9(6), pp 735-739 74 49 Yi Wa (2008), “ ell lose fiber dissol tio i sodi m droxide solution at low temperat re: Dissol tio ki etics a d sol bilit improveme t”, Doctor of Philosophy thesis, Georgia Institute of Technology 50 Yiying Yue B.S., “A comparative st d of cell lose I a d cell lose II fibers a d a ocr stals”, Master of Science thesis, School of Renewable Natural Resources, College of Agriculture, Louisiana State University and Agricultural & Mechanical College 51 Yu Jia , Hao Pa , Bi Liao (2009), “Removal of copper(II) ions from aq eo s sol tio b modified ba asse”, Journal of Hazardous Materials, 164, pp 1–9 52 Yuh-S a Ho (2003), “Removal of copper io s from aq eo s sol tio b tree fer ”, Water Research, 37, pp 2323-2330 75 ... .3 1.1 Xử lý kim loại nặ tro ước vật liệu có nguồn gốc thực vật .3 1.1.1 Hiện trạng ô nhiễm kim loại nặng nước 1.1.2 Xử lý kim loại nặng nước sinh khối thực vật 1.2 Đặc điểm... GIA HÀ NỘI ẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Phạm Thị Dinh NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH PHỤ PHẨM TỪ CÂY AY LÀM VẬT LIỆU XỬ LÝ MỘT SỐ KIM LOẠI NẶ O : Kỹ thuật môi trường : 60520320 LUẬN VĂN THẠ SĨ KHOA... P ươ p áp i cứu 30 2.2.1 Phương pháp biến tính vật liệu .30 2.2.2 Xác định đặc tính vật liệu .34 2.2.3 Khảo sát khả hấp phụ ion kim loại nặng vật liệu biến tính 36 Chương