Tổng hợp Polyme ưa nước trên cơ sở đồng trùng hợp axit Acrylic và Acrylamit ứng dụng trong xử lý môi trường

Bùi Thị Bến Tổng hợp polyme ưa nước sở axit acrylic acrylamit… Trƣờng đại học sƣ phạm hà nội Khoa hóa học Bùi thị bến đề tài: Tổng hợp polyme ƣa nƣớc sở đồng trùng hợp axit acrylic acrylamit ứng dụng xử lý mơi trƣờng Khóa luận tốt nghiệp Chun ngành: Hố Công nghệ - Môi trƣờng Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Văn Khôi ThS Trịnh Đức Công Hà nội - 2009 Khoá luận tốt nghiệp Khoá: 2005 - 2009 Bùi Thị Bến Tổng hợp polyme ưa nước sở axit acrylic acrylamit… Khoá luận tốt nghiệp Khoá: 2005 - 2009 Lời cảm ơn Em xin trân trọng cảm ơn PGS.TS Nguyễn Văn Khôi, ThS Trịnh Đức Công hướng dẫn tận tình tạo điều kiện thuận lợi cho em suốt trình thực hồn thành khố luận tốt nghiệp Em xin cảm ơn thầy, cô, bạn bè, người thân anh chị thuộc phòng vật liệu polyme - Viện hố học - Viện Khoa học Cơng nghệ Việt Nam dạy bảo, giúp đỡ, động viên tạo điều kiện cho em hồn thành khố học thực thành cơng khố luận tốt nghiệp Hà Nội, ngày 10 tháng năm 2009 Sinh viên Bùi thị bến MỞ ĐẦU Lĩnh vực polyme ưa nước phát triển nhanh chóng vài thập kỷ gần [40] Các chức polyme ưa nước thích hợp cho nhiều ứng dụng khác nhau, polyme không tạo lưới (hay gọi polyme tan nước) bao gồm xử lý nước, làm giấy, chế biến quặng, thành phần chất tẩy rửa, xử lý vải sợi, sản xuất sản phẩm chăm sóc cá nhân, dược phẩm, sản xuất dầu mỏ, thu hồi dầu, thành phần lớp phủ bề mặt sử dụng nông nghiệp [27, 36] Trong polyme ưa nước, polyme sở axit acrylic ý nhiều có nhiều ứng dụng khác Do vấn đề tiếp tục nghiên cứu biến tính cấu trúc polyme tạo chắn phạm vi ứng dụng ngày lớn Nghiên cứu tổng hợp ứng dụng polyme ưa nước hướng khoa học vật liệu Việt Nam Đây hướng nghiên cứu đắn tầm quan trọng chúng kinh tế quốc dân nhờ tính chúng Tuy nhiên có thơng tin nghiên cứu ứng dụng polyme ưa nước Từ sở trên, chọn đề tài: “Tổng hợp polyme ưa nước sở đồng trùng hợp axit acrylic acrylamit ứng dụng xử lý môi trường”, khoá luận tập chung chủ yếu nghiên cứu tổng hợp polyme ưa nước sở axit acrylic acrylamit, nghiên cứu ứng dụng chúng Mục tiêu nghiên cứu: - Nghiên cứu động học trình trùng hợp đồng trùng hợp axit acrylic acrylamit Từ tìm điều kiện thích hợp để tổng hợp polyme ưa nước sở axit acrylic acrylamit - Nghiên cứu tương tác polyme ưa nước đất sét nhằm nghiên cứu khả sử dụng vật liệu nông nghiệp xử lý môi trường Nhiệm vụ nghiên cứu: - Nghiên cứu yếu tố khác như: nhiệt độ, thời gian, nồng độ monome, tỷ lệ cấu tử, hàm lượng chất khơi mào, pH,…lên trình trùng hợp, đồng trùng hợp trọng lượng phân tử - Nghiên cứu tương tác polyme ưa nước đất sét làm sáng tỏ cấu trúc hỗn hợp, làm sở cho việc ứng dụng vật liệu nông nghiệp xử lý môi trường CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 Cơ sở lý thuyết phản ứng đồng trùng hợp 1.1.1 Cơ sở lý thuyết Quá trình đồng trùng hợp trình trùng hợp hai hay nhiều monome mà sản phẩm polyme sinh có mắt xích monome xếp ngẫu nhiên (copolyme ngẫu nhiên), xếp luân phiên đặn, mắt xích monome khác tạo thành đoạn mạch khác polyme Đại phân tử nhận từ trình đồng trùng hợp gọi copolyme Thành phần cấu tạo copolyme chứa mắt xích tạo nên từ monome ban đầu liên kết với tuân theo trật tự định [4, 5, 6, 11] Phản ứng đồng trùng hợp thường sử dụng để chế tạo vật liệu polyme có tính chất lý hố cần thiết mà phản ứng trùng hợp khơng thể có Để đạt sản phẩm theo yêu cầu, cần phải nghiên cứu, lựa chọn nguyên liệu ban đầu, phương pháp trùng hợp thích hợp [4, 5] Tỷ lệ cấu tử ban đầu có mặt sản phẩm nhận từ trình đồng trùng hợp thay đổi giới hạn rộng tuỳ thuộc vào khả hoạt hoá monome ban đầu tham gia phản ứng Việc xác định khả phản ứng monome q trình đồng trùng hợp có ý nghĩa thực tế hàng đầu Khi biết điều xác định tính tốn diễn biến tồn q trình đồng trùng hợp Trước hết, xét tới số đồng trùng hợp phương pháp xác định giá trị số học chúng + Khả phản ứng monome số đồng trùng hợp Phản ứng phát triển R1• + M1 R1 • • R1 + M2 R2 • R2 + M1 R1 Tốc độ phản ứng • (1) K11 [R1 ] [M1] • (2) K12 [R1 ] [M2] • (3) K21 [R2 ] [M1] (4) K22 [R2 ] [M2] • ’ ’ • • • • R2 + M2 R2 đây: • R1• R2 gốc phát triển M1 M2 phân tử monome K11, K12, K21, K22 số tốc độ phản ứng Tốc độ tiêu thụ monome M1 M2 trình đồng trùng hợp xác định - - d[M1] dt • = K11 [R1•] [M 1] + K [R ] [M ] 21 d[M = K12 [R1•] [M ] dt 2] (5) (6) • K [R2 ] [M + 22 ] Từ phương trình (5) (6) ta nhận được: d[M1] d[M2] = K11 [R1 ] [M • 1] • K12 [R1 ] [M 2] + K [M 1] + K [M 2] 21 [R2 ] • 22 • [R2 ] • (7) T ron g trạ ng thái dừn g nồn g độ gốc R1 gần khô ng đổi R2 2θ 2+ Hình 3.7 Nhiễu xạ tia X mẫu đất sét - Ca tổ hợp sét - P(AA AAc) KÕt cho thấy có chút khác khoảng cách lớp mẫu đối chứng xử lý Chẳng h¹n khoảng cách d(001) 10,78, mẫu xử lý với P(AA-AAc) có khỏng cách d(001) l 14,39 iu ny chng t tơng tác P(AA-AAc) hạt đất sét Nó chứng tỏ tơng tác vật lí có tơng tác hoá học phân tử P(AA-AAc) hạt đất sét Đây xâm nhập phân tử P(AA-AAc) vào lớp clay hình thành cầu hidro P(AA-AAc) hạt đất sét 3.7 Nghiên cứu trình keo tụ xử lý nƣớc 3.7.1 Ảnh hưởng hàm lượng copolyme đến trình keo tụ Nghiên cứu ảnh hưởng hàm lượng copolyme đến trình keo tụ tiến hành điều kiện: pH=7, [KNO3 ]=20 mg/l, thời gian khảo sát 20 phút Kết thu thể bảng 3.7 Bảng 3.7 ảnh hưởng hàm lượng copolyme đến trình keo tụ Hàm lƣợng P(AA-AAc)(mg/l) A0 A20 0.332 0.294 76 67 11.8 0.25 0.332 0.057 76 13 82.9 0.5 0.332 0.05 76 11 85.5 0.332 0.095 76 22 71 0.332 0.13 76 30 60 T0(NTU) T20(NTU) %KT Trong đó: A0 , A20: cường độ hấp thụ quang thời điểm t=0 phút, t= 20 phút T0 , T20 : độ đục tính thời điểm t= phút, t= 20 phút %KT: phần trăm keo tụ thời điểm cân tính theo công thức(2): %KT = T0 − T20 (2) x100 T0 Qua bảng 3.7 cho thấy hiệu keo tụ tốt với hàm lượng P(AA-AAc) = 0.5 mg/l Khi tăng hàm lượng P(AA-AAc) tăng từ 0.25 – 0.5 mg/l khả keo tụ tăng tăng hàm lượng P(AA-AAc) số phân tử P(AA-AAc) tăng, nên khả keo tụ tăng Còn hàm lượng P(AA-AAc) từ 0.5- mg/l làm cho độ nhớt dung dịch tăng dẫn đến khả keo tụ giảm 3.7.2 Ảnh hưởng pH đến trình keo tụ Giữ cố định lượng [KNO3] = 20 mg/l, [P(AA-AAc)] = 0.5mg/l đưa vào, thay đổi giá trị pH thu kết thể bảng 3.8, từ cho thấy điều kiện pH = cho hiệu tốt Bảng 3.8 ảnh hưởng pH đến trình keo tụ pH A0 A20 T0(NTU) T20(NTU) %KT 0.332 0.065 76 15 80 0.332 0.048 76 11 85.9 0.332 0.032 76 90.8 0.332 0.13 76 30 60 3.7.3 Ảnh hưởng nồng độ chất điện li đến trình keo tụ Điều chỉnh độ pH môi trường nước ban đầu pH= 6, [P(AAAAc)] = 0.5 mg/l, thời gian khảo sát t=20 phút thay đổi hàm lượng KNO3 thêm vào, kết thực nghiệm cho bảng 3.9 Bảng 3.9 Ảnh hưởng nồng độ chất điện li đến trình keo tụ [KNO3] A0 A20 T0(NTU) T20(NTU) %KT 20 0.332 0.032 76 90.9 40 0.332 0.028 76 92.1 60 0.332 0.018 76 94.7 80 0.332 0.016 76 3.7 95 100 0.332 0.010 76 23 69.7 (mg/l) Kết thu thấy nồng độ chất điện li tăng dẫn đến làm giảm điện động zeta, ion nén lớp điện kép Nhưng vượt qua điểm đẳng điện hạt keo lại tích điện trái dấu trở lại điện động zeta lại tăng làm cho khả keo tụ giảm Kết thu cho thấy nồng độ chất điện li 80 mg/l phù hợp Qua nghiên cứu trình keo tụ nhận thấy xảy trình tạo cầu hóa học polyme tích điện âm hạt lơ lửng tạo thành khối khiến cho trình keo tụ diễn nhanh Cơ chế tạo cầu hóa học P(AA-AAc) minh họa hình 3.8 [1,2] Hình 3.8 Cơ chế tạo cầu hoá học P(AA-AAc) Tăng nồng độ polyme làm tăng nhanh trình sa lắng đến giá trị cực đại ổn định khoảng nồng độ polyme định Nếu dùng dư polyme, hiệu sa lắng sa lắng giảm Điều polyme dư tái ổn định khối cặn nước Khối lượng phân tử polyme cao trình sa lắng nhanh Điều giải thích hấp phụ mạnh polyme lên bề mặt hạt keo Chiều dài mạch polyme lớn số tâm hấp phụ lên hạt keo nhiều, tạo nhiều cầu nối với hạt, làm tăng vận tốc tạo bơng khiến cho q trình sa lắng nhanh [1,2] KT LUN Các yếu tố ảnh hởng đến trình đồng trùng hợp axit acrylic acrylamit nh thời gian, nhiệt độ phản ứng, hàm lợng chất khơi mào, tỷ lệ monome, pH đợc nghiên cứu Cấu trúc sản phẩm đợc phân tích phơng pháp vật lý nh: phân tích phổ hồng ngoại để đánh giá khả đồng trùng hợp monome Copolyme axit acrylic acrylamit đợc chế tạo từ trình đồng trùng hợp có mặt chất khơi mào amoni pesunfat phơng pháp đồng trùng hợp dung dịch Từ kết thu đợc, rút điều kiện tối u cho phản ứng đồng trùng hợp là: - Nhiệt độ phản øng: 70 oC - Thêi gian ph¶n øng: 120 - Hàm lợng chất khơi mào: 1,0% (theo khối lợng monome) Đã nghiên cứu tơng tác copolyme thu đ- ợc với khoáng sét, kết cho thấy tồn tơng tác liên kết P(AA-AAc) khoáng sét Đã nghiên cứu trình keo sản phẩm chế tạo đợc tụ nớc sông Hồng Các kết nghiên cứu thu đợc cho thấy khả chế tạo ứng dụng sản phẩm phù hợp phát triển để nghiên cứu ứng dụng rộng rãi TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT [1] Lê Văn Cát (1999), Cơ sở hoá học xử lý nước, Nhà xuất Thanh Niên Hà Nội [2] Nguyễn Thị Thu Thuỷ (1999), Xử lý nước cấp sinh hoạt công nghiệp Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [3] Nguyễn Tử Siêm, Thái Phiên (1999), Canh tác bền vững đất dốc, NXB Nông nghiệp, Hà Nội, 1999 [4] Trần Vĩnh Diệu, Trần Quang Hân (1976), Các phản ứng điều chế polyme tổng hợp, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật [5] Trờng Đại Học Bách Khoa Hà Nội (1982), Hoá học Polyme TING ANH [6] Alfrey-BohrerCopolymerization of Mark (1952), high polymer”, Interscience, vol [7] Baijpai, A K and S K Baijpai (1996), Indian Journal of Chemical Technology, Vol 3, 219-223 [8] Cabaness W R., T Yen-Chin Lin, and C Parkanyi (1971), Journal of Polymer Science Part A-1, Vol.9, 2155-2170 [9] Chambelain P and Cole R., (1996), “Influence of structure and formulation on the efficacy of polyacrylamides as soil stabilizers IN Sojka R E and Lentz R D (eds) Proceeding: Managing IrrigationInduced Erosion and Infiltration with Polyacrylamide May 6, and 8, College of Southern Idaho, Twin Falls, ID University of Idaho Misc Pub 101-96, p 83-87 [10] Candau F and Leong Y.S, (1985), Kinetic study of the polymerization of Acrylamide in inverse Microemusion, 23, 193214 [11] Dietrich B., Harald C., Verner K (1971), “Techniquea of polymer characterization”, syntheses and Wily-Interscience, New york [12] Epps A and Ehsan M., (2002), "Laboratory study of dust palliative effectiveness", J Mater Civil Eng., Vol 14(5), p 427-435 [13] Fantan G F., Robert C Burr, C R Russell, C Erist, (1971), J Appl Polym Sci., Vol 15, 1889-1902 [14] Grabiel, C E and D L Decker, (1962), J Polymer Sci., 59, 425 [15] Henley E J and R S Bell US Pat 2,983,717 (1961) [16] Henton David E., Cynthia Powell, Robert E Rein (1997), J Appl Polymer Sci., 64, 519-600 [17] Hocking Martin B.; Klimchuk Keith A ; Lowen Stephen (2002), “Water-soluble acrylamide copolymers”, J Polym Sci, o vol 84, n 11, pp 2090-2108 [18] http://www.epa.gov/region8/conservation_recycling/P2HeskettPAM [19] John P.K., Air data Pressure transducer Apparatus, US Patent 3,247,717 [20] Kolhoff I M., I K Miller, (1951), J Am Chem Soc Vol 73, 30553059 [21] Kurenkov V.F., Baiburdov T.A and Stupen’kova L.L., (1985), in Fiziko-khimicheskie osnovy sinteza in pererabotki polimerow (Physicochemical Foundations of synthesis and Processing of Polymers), Gor’kii: Gor’k Gos Univ., pp 79-86 [22] Kurenkov V.F., Nagel’ M.A Kosterina E.N and Myagchenkov V.F., (1984), in Chemistry and Technology of Organoelement Compounds and Polymes, Kazan Khim Tekhnol Inst, 34-36 [23] Kurenkov V.F., Baiburdov T.A and Stupenkova L.L., (1990), Eur Polym J., Vol 26 (8), 915-918 [24] Kawamori Yoshihiro, Production of partial hydrolyzate of acrylamide polymer, JP 2173102 [25] Myagchenkov V.F., Kurenkov V.F., and Akmed’yanova R.A., (1984), Vysokomol Soedin., Ser B, Vol 26 (5), 304-344 [26] Madhur Gagneja and Paramjit Singh (1995), Indian Journal of Chemical Technology, Vol 2, 74-78 [27] Mark Herman F., Norman G Gaylord, Norbert M Bikales (1967), Encylopedia of Polymer Science and Technology Vol 7, 64-76 [28] Mayo F R and C Walling (1950), Chem Rev., 46, 191 [29] M Fineman and S D Ross (1950), “Linear method for determining monomer reactivity ratios in copolymerization”, J Polymer Sci., 5, 259 [30] Ogawa Y., O Toshikazu, Preparation of partially hydrolyzed polyacrylamide, JPN Appl 52-137,483 [31] P.E Dave Biorneberg (2001), Irrigation Journal, p.8-11 [32] Phillips, Hydrolyzed polyacrylamide latices for secondary oil recovery, US 4,034,809 [33] Restaino, High molecular-weight, water soluble vinyl polymers, US 4,115,339 [34] Sojka R E and Lentz R D., (1996), "Polyacrylamide in forrow irrigation, an erosion control breakthrough", First European Conference on erosion control, Barcelona 29-31 [35] Sojka R E., Lentz R D., Bjorneberg D L., Aase J K., Entry J A., Morishita D W., Ross C W and Trout T J (1999), “Polyacrylamide (PAM)- A million acre progress report”, p 85-92 Proceedings: Irrigation Association’s International Show & Technical Conference Orlando, FL, 7-9 November [36] Thomas, W M (1967), Encyclopedia of polymer science and technology Vol.1, 177-226 [37] T Kelen and F Tudos., J Macromd (1975), “Analysis of the linear methods for determining copolymerization reactivity ratios”, SCL-Chem, A9(1), pp 1-27 [38] Tago, Method of producing partially hydrolyzed acrylamide polymers, US 4146690 th [39] V Steven Green and D.E Stott (2001), The 10 International Soil Conservation Organization Meeting, p 384-389 [40] "Water soluble polymers" (2006), Gainey Suites, Scottsdale, AZ USA, June 6-8 [41] Wada T., et al (1983), Radiat Phys Chem., Vol 22, 1064-1070 MỤC LỤC MỞ ĐẦU Mục tiêu nghiên cứu: Nhiệm vụ nghiên cứu: CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 Cơ sở lý thuyết phản ứng đồng trùng hợp 1.1.1 Cơ sở lý thuyết 1.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng lên trình đồng trùng hợp 1.2 Đồng trùng hợp sở axit acrylic dẫn xuất 1.2.1 Các phương pháp tiến hành trùng hợp 1.2.2 Đồng trùng hợp acrylamit axit acrylic 12 1.2.3 Chất khơi mào 19 1.3 Một số ứng dụng polyme tan nước sở axit acrylic acrylamit ………………………………………………………………………21 CHƢƠNG THỰC NGHIỆM 25 2.1 Đồng trùng hợp axit acrylic acrylamit 25 2.1.1 Dụng cụ 25 2.1.2 Hóa chất 25 2.1.3 Thực nghiệm 25 2.2 Các phương pháp phân tích 28 2.2.1 Xác định độ chuyển hóa phương pháp chuẩn độ nối đôi .28 2.2.2 Xác định khối lượng phân tử copolyme 31 2.2.3 Phổ hồng ngoại 34 2.2.4 Phân tích nhiệt TGA 34 2.2.5 Nghiên cứu tương tác P(AA-AAc) khoáng sét phương pháp nhiễu xạ tia X kính hiển vi điện tử quét (SEM) 34 2.2.6 Nghiên cứu keo tụ để xử lý nước .35 CHƢƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 36 3.1 Ảnh hưởng nhiệt độ thời gian phản ứng đến trình đồng trùng hợp axit acrylic acrylamit .36 3.2 Ảnh hưởng hàm lượng chất khơi mào đến trình đồng trùng hợp 37 3.3 Ảnh hưởng tỷ lệ axit acrylic : acrylamit đến trình đồng trùng hợp 39 3.4 Ảnh hưởng pH đến trình đồng trùng hợp 40 3.5 Phân tích tính chất copolyme 43 3.5.1 Phổ hồng ngoại: .43 3.5.2 Giản đồ phân tích nhiệt: 44 3.6 Tương tác copolyme với khoáng sét .45 3.7 Nghiên cứu trình keo tụ xử lý nước .47 3.7.1 Ảnh hưởng hàm lượng copolyme đến trình keo tụ .47 3.7.2 Ảnh hưởng pH đến trình keo tụ 48 3.7.3 Ảnh hưởng nồng độ chất điện li đến trình keo tụ 49 KẾT LUẬN 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO .54 ... cứu ứng dụng polyme ưa nước Từ sở trên, chọn đề tài: Tổng hợp polyme ưa nước sở đồng trùng hợp axit acrylic acrylamit ứng dụng xử lý môi trường , khoá luận tập chung chủ yếu nghiên cứu tổng hợp. .. hợp polyme ưa nước sở axit acrylic acrylamit, nghiên cứu ứng dụng chúng Mục tiêu nghiên cứu: - Nghiên cứu động học trình trùng hợp đồng trùng hợp axit acrylic acrylamit Từ tìm điều kiện thích hợp. .. số đồng trùng hợp r1 r2 axit acrylic dẫn xuất Monme, M1 Đồng monome, M2 Axit acrylic Natri acrylat Axit metacrylic Axit acrylic Natri acrylat Axit acrylic Axit metacrylic Natri acrylat Axit acrylic