Tổng hợp vật liệu compozit bã chè – PANi – bã cafe định hướng xử lí môi trường ô nhiễm ion mn2+ (2017)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI KHOA HÓA HỌC NGUYỄN THỊ KIM OANH TỔNG HỢP VẬT LIỆU COMPOZIT PANi – BÃ CHÈ – BÃ CAFE ĐỊNH HƯỚNG 2+ XỬ LÍ MƠI TRƯỜNG Ơ NHIỄM ION Mn KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chuyên ngành: Hóa lý Người hướng dẫn khoa học TS NGUYỄN THẾ DUYẾN HÀ NỘI – 2017 LỜI CẢM ƠN Lời em xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn giảng viên TS Nguyễn Thế Duyến, người giao đề tài, tận tình hướng dẫn giúp đỡ em hồn thành khóa luận Em xin chân thành cảm ơn thầy cô khoa hóa học - Trường Đại học sư phạm Hà Nội tận tình dạy dỗ tạo điều kiện thuận lợi cho em thời gian em học tập nghiên cứu trường Cảm ơn gia đình, bạn bè người thân bên cạnh, động viên, hỗ trợ giúp đỡ em trình làm khóa luận Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 10 tháng năm 2017 Sinh viên Nguyễn Thị Kim Oanh i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan khóa luận cơng trình nghiên cứu riêng hướng dẫn khoa học TS Nguyễn Thế Duyến Các kết số liệu khóa luận trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Hà Nội, ngày 10 tháng năm 2017 Sinh viên Nguyễn Thị Kim Oanh ii MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Lí chọn đề tài Mục tiêu nghiên cứu Nội dung nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu polyanilin (PANi) 1.1.1 Giới thiệu chung polyme dẫn 1.1.2 Cấu trúc PANi 1.1.3 Tính chất PANi 1.1.3.1 Tính dẫn điện 1.1.3.2 Tính điện sắc 1.1.3.3 Khả tích trữ lượng 1.1.3.4 Tính chất 1.1.4 Phương pháp tổng hợp PANi 1.1.4.1 Phương pháp hóa học 1.1.4.2 Phương pháp điện hóa 1.1.5 Ứng dụng PANi 10 1.2 Giới thiệu bã cafe, bã chè 12 1.2.1 Bã cafe 12 1.2.2 Bã chè 13 1.3 Xử lí mơi trường từ phụ phẩm nông nghiệp 14 1.4 Xử lí mơi trường PANi 16 1.5 Xử lí mơi trường bã chè bã cafe 16 CHƯƠNG 18 THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 18 2.1 Thực nghiệm 18 2.1.1 Hóa chất, dụng cụ, thiết bị thí nghiệm 18 2.1.1.1.Hóa chất 18 2.1.1.2 Dụng cụ 18 2.1.1.3 Thiết bị 18 2.1.2 Tổng hợp vật liệu hấp thu 19 2.1.2.1 Xử lí bã chè, bã cafe trước tổng hợp 19 2.1.2.2 Tổng hợp vật liệu hấp thu 19 2+ 2.1.3 Khả hấp thu ion Mn vật liệu tổng hợp 20 2.1.3.1 Bã cafe 20 2.1.3.2 Bã chè 20 2.1.3.3 PANi 21 2.1.3.4 PANi-BC-BCF 21 2.2 Các phương pháp nghiên cứu 21 2.2.1 Phương pháp phổ hồng ngoại (IR) 21 2.2.2 Phương pháp kính hiển vi điện tự quét (SEM) 23 2.2.3 Phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) 23 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 25 3.1 Tổng hợp vật liệu 25 3.1.1 Phổ hồng ngoại IR 25 3.1.2 Kết phân tích SEM 27 3.2 Khả xử lí ion kim loại nặng 28 3.2.1 Ảnh hưởng vật liệu đến khả xử lí 28 3.2.2 Hiệu suất hấp thu vật liệu 29 KẾT LUẬN 25 TÀI LIỆU THAM KHẢO 32 CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT Chữ viết tắt AAS Tiếng Việt Tiếng Anh Phương pháp phổ hấp thụ Atomic Absorption nguyên tử Spectroscopy ANi Anilin BC Bã chè BCF Bã café PANi Polyanilin PANi-BC-BCF PANi-bã chè-bã cafe PPNN Phụ phẩm nông nghiệp IR Phổ hồng ngoại SEM Kính hiển vi điện tử quét Infrared spectroscopy v Scanning electron microscope DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Độ dẫn điện PANi số môi trường axit khác Bảng 1.2 Điện oxi hóa khử số chất oxi hóa Bảng 1.3 Thành phần hóa học cafe trước rang 12 Bảng 1.4 Thành phần hóa học cafe sau rang 13 Bảng 1.5 Thành phần hóa học chè 14 Bảng 3.1 Giá trị số sóng mẫu PANi, BCF, BC PANi 26 vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Cấu trúc phân tử PANi Hình 3.1 Phổ IR mẫu 26 Hình 3.2 Phổ SEM mẫu PANi-BC-BCF, BCF, BC PANi 27 2+ Hình 3.3 Sự phụ thuộc nồng độ hấp thu ion Mn theo thời gian vật liệu Nồng độ ban đầu C0 = 20 mg/L, pH = 28 Hình 3.4 Sự phụ thuộc hiệu suất hấp thu ion Mn 2+ theo thời gian vật liệu .29 vii MỞ ĐẦU Lí chọn đề tài Hiện việc loại bỏ ion kim loại nặng nước vấn đề xử lí mơi trường tính độc hại chúng nồng độ thấp Những chất ô nhiễm xuất nước từ q trình sản xuất cơng nghiệp mà Có nhiều cách khác để loại bỏ kim loại khỏi nước trao đổi ion, thẩm thấu ngược, kết tủa hấp phụ…Trong hấp phụ phương pháp có nhiều ưu điểm so với nhiều phương pháp khác Do việc tìm kiếm nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp phụ có khả xử lí ion kim loại gây ô nhiễm nước cần thiết Trong nghiên cứu gần đây, polyanilin kết hợp với phụ phẩm nơng nghiệp vật liệu có khả hấp phụ ion kim loại nặng Theo hướng sử dụng bã chè bã cafe phụ phẩm làm vật liệu hấp thu có hiệu khả thi chúng có khả tách kim loại nặng hòa tan màu nước nhờ vào cấu trúc xốp thành phần xenlulozơ Bên cạnh nguồn nguyên liệu bã chè bã cafe đa dạng phong phú, Việt Nam nằm nhóm quốc gia đứng đầu Châu Á lượng tiêu thụ cafe bình quân đầu người năm, đứng thứ diện tích thứ sản lượng chè giới Vì lí em chọn đề tài: “Tổng hợp vật liệu compozit bã 2+ chè – PANi – bã cafe định hướng xử lí mơi trường nhiễm ion Mn ” Mục tiêu nghiên cứu - Tổng hợp vật liệu định hướng xử lí mơi trường nhiễm kim loại nặng 2+ - Đánh giá khả xử lí ion kim loại Mn vật liệu hấp thu Nội dung nghiên cứu - Khảo sát yếu tố trình tổng hợp vật liệu - Khảo sát biến đổi nồng độ ion kim loại nặng hấp thu vật liệu tổng hợp CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Tổng hợp vật liệu 3.1.1 Phổ hồng ngoại IR Kết phân tích phổ IR mẫu BC, BCF, PANi, PANi-BC-BCF giới 847.28 1069.40 1011.11 1284.28 1175.30 1383.34 thiệu hình 3.1 bảng 3.1 - 100 95 90 85 % Transmitancia 80 75 70 1632.89 65 60 55 2927.12 45 40 PANi-BC-BCF 35 4000 3800 3600 3400 3200 3000 2800 2600 2400 2200 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 -1 wavenumbers(cm ) 577.54 100 95 90 85 % Transmitancia 80 35 BCF 4000 3800 3600 3400 3200 3000 2800 2600 2400 2200 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 -1 Wavenumbers(cm ) 600 710.89 40 1386.77 45 3449.46 50 2858.54 55 2927.12 60 1745.28 65 1646.22 70 1024.82 1161.60 75 400 457.91 50 100 95 90 % Transmitancia 761.94 80 55 50 45 40 35 1383.34 60 1639.75 2923.69 2855.11 65 1038.54 70 1240.08 75 BC 3439.17 4000 3800 3600 3400 3200 3000 2800 2600 2400 2200 2000 1800 1600 1400 1200 1000 -1 Wavenumbers(cm ) 800 600 400 669.74 85 PANi N Hình 3.1 Phổ IR mẫu Bảng 3.1 Giá trị số sóng mẫu PANi, BCF, BC PANi -1 Số sóng (cm ) Mẫu C-N C-H C-O vòng C-H -N=quinoid=N- C=C C=O thơm PANi-BC-BCF 851,29 1070,02 1178,65 vòng thơm 1283,93 1384,47 1635,17 2926,42 3441,05 1384,37 1642,29 2925,69 3441,15 3923,93 BCF 720,10 1032,27 1160,71 BC 1036,54 1148,66 1239,34 1384,31 1646,38 2924,49 1190,02 1300,21 1428,05 1598,10 1992,51 PANi 812,12 N-H Kết phân tích IR cho thấy: - Mẫu BCF mẫu BC có tần số đặc trưng gần giống (BCF: -1 1032,27; 1384,37; 1642,29; 2925,69 cm BC: 1036,54; 1384,31; 1646,38; -1 2924,49 cm ), chứng tỏ chè cafe biến tính có nhóm chức giống Khác biệt dải số sóng ngắn - Trong mẫu PANi tổng hợp, có tần số đặc trưng giải số sóng khác - Trong mẫu tổng hợp PANi-BC-BCF cho thấy, tần số đặc trưng mẫu BCF, BC xuất phổ IR mẫu PANi-BC-BCF Sự sai lệch tần số số tần số đặc trưng tác động PANi hình thành trình tổng hợp lên mẫu nghiên cứu Kết cho thấy tạo thành vật liệu PANi-BC-BCF có thành phần cafe chè 3.1.2 Kết phân tích SEM Kết phân tích SEM cho mẫu PANi-BC-BCF, BCF, BC PANi giới thiệu hình 3.2 PANi-BC-BCF BC BCF PANi Hình 3.2 Phổ SEM mẫu PANi-BC-BCF, BCF, BC PANi Kết phân tích cho thấy, vật liệu thu có kích thước cỡ µm, có cấu trúc dạng lớp Với mẫu bã cafe bã chè cho thấy cấu trúc lớp tương đối sát với Tuy nhiên, với có mặt PANi cấu trúc PANi-BC-BCF có dạng xốp tương tự với mẫu PANi có cấu trúc xốp 3.2 Khả xử lí ion kim loại nặng 3.2.1 Ảnh hưởng vật liệu đến khả xử lí Kết nghiên cứu khả hấp thu vật liệu với ion Mn 2+ giới thiệu hình 3.3 25 BC BCF PANi BC-PANi-BCF C (mg/l) 20 15 10 0 30 60 90 120 150 t (phút) 2+ Hình 3.3 Sự phụ thuộc nồng độ hấp thu ion Mn theo thời gian vật liệu Nồng độ ban đầu C0 = 20 mg/L, pH = 2+ - Đối với vật liệu BCF: sau 30 phút nồng độ Mn giảm 2,32mg/L, sau 60 phút giảm 6,76 mg/L, sau 90 phút giảm 9,94 mg/L, sau 120 phút giảm 11,88 mg/L, sau 150 phút giảm 12,78 mg/L 2+ - Đối với vật liệu BC: sau 30 phút nồng độ Mn giảm 2,88 mg/L, sau 60 giảm 6,99 mg/L, sau 90 phút giảm 8,04 mg/L, sau 120 phút giảm 9,15 mg/L, sau 150 phút giảm 9,9 mg/L 2+ - Đối với vật liệu PANi: sau 30 phút nồng độ Mn giảm 3,12 mg/L, sau 60 phút giảm 7,88 mg/L, sau 90 phút giảm 10,89 mg/L, sau 120 phút giảm 12,19 mg/L, sau 150 phút giảm 13,99 mg/L 2+ - Đối với vật liệu PANi-BC-BCF: sau 30 phút nồng độ Mn giảm 3,98 mg/L, sau 60 phút giảm 9,95 mg/L, sau 90 phút giảm 11,88 mg/L, sau 120 phút 14,31 mg/L, sau 150 phút giảm 15,79 mg/L 2+ Kết cho thấy, sau 150 phút nồng độ ion Mn vật liệu hấp thu giảm Trong vật liệu PANi-BC-BCF giảm nhiều 15,79 mg/L, giảm vật liệu BC 9,9 mg/L, vật liệu BCF PANi tương ứng 12,78 mg/L 13,99 mg/L 3.2.2 Hiệu suất hấp thu vật liệu 2+ Kết nghiên cứu hiệu suất hấp thu ion Mn theo thời gian vật liệu giới thiệu hình 3.4 100 H (%) 80 BC BCF PANi PANi-BC-BCF 60 40 20 20 40 60 80 100 120 140 160 t (phút) 2+ Hình 3.4 Sự phụ thuộc hiệu suất hấp thu ion Mn theo thời gian vật liệu Kết cho thấy, sau 120 phút hiệu suất hấp thu ion Mn 2+ vật liệu A0 cao (78,95%), vật liệu A2 thấp (49,5%), vật liệu A1 A3 tương ứng 63,9% 69,95% Khi sử dụng vật liệu compozit hiệu suất trình hấp thu tăng lên đáng kể, tỷ lệ hiệu suất hấp thu vật liệu A0:A1:A2:A3 tương ứng 1,59:1,29:1,00:1,41 Đối với vật liệu PANi-BC-BCF PANi cho thấy, hiệu suất hấp thu đạt tốt sau 120 phút, thời gian từ 120 phút đến 150 phút hiệu suất hấp thu tăng không đáng kể Đối với vật liệu biến tnh bã cafe, bã chè sau khoảng thời gian 90 phút hiệu suất đạt tốt nhất, từ sau 90 phút hiệu suất hấp thu tăng không đáng kể KẾT LUẬN Sau q trình thực khóa luận với đề tài “Tổng hợp vật liệu compozit 2+ PANi-BC-BCF định hướng xử lí mơi trường nhiễm ion Mn ” em thu số kết thực nghiệm sau: - Tổng hợp thành công vật liệu hấp thu PANi-BC-BCF phương pháp hóa học 2+ - Khảo sát ảnh hưởng thời gian hấp thu ion Mn vật liệu hấp thu PANi, bã chè biến tính, bã cafe biến tính, PANi-BC-BCF Sau thời gian nghiên cứu tổng hợp vật liệu hấp thu kim loại nặng 2+ (Mn ) dung dịch cho thấy khả hấp thu vật liệu PANi-BC-BCF cao so với bã chè cafe biến tnh Đồng thời compozit cho khả hấp thu cao PANi tổng hợp phương pháp hóa học Quá trình tổng hợp vật liệu hấp thu ion kim loại nặng, tiến hành đơn giản an toàn với môi trường người TÀI LIỆU THAM KHẢO Ti ếng Vi ệt [1] Nguyễn Việt Bắc, Chu Hữu Chiến, Bùi Hồng Thỏa, Phạm Minh Tuấn (2005), “Polyanilin: Một số tnh chất ứng dụng”, Tạp chí khoa học công nghệ [2] Nguyễn Thị Quỳnh Nhung (2002), Nghiên cứu chết tạo polime dẫn PANi phương pháp điện hóa khả chống ăn mòn, Luận văn tốt nghiệp [3] Bùi Hải Ninh (2008), Nghiên cứu ảnh hưởng polyanilin đến cấu trúc PbO2, Luận văn thạc sĩ khoa học, Đại học quốc gia Hà Nội [4] Bùi Minh Quý (2015), Nghiên cứu tổng hợp compozit PANi phụ phẩm nông nghiệp để xử lý kim loại nặng Pb (II), Cr (VI) Cd (II), Viện Hóa [5] Học-Viện Hàn Lâm Khoa Học Cơng Nghệ Việt Nam Mai Thị Thanh Thùy (2005), Tổng hợp polyanilin dạng bột phương pháp xung dòng ứng dụng nguồn điện hóa học, Luận văn thạc sĩ [6] khoa hóa học, Đại học Quốc gia Hà Nội Phạm Thị Thanh Thủy (2007), Ứng dụng polianilin để bảo vệ sườn cự chì ắc quy, Luận văn thạc sĩ khoa học hóa học, Đại học sư phạm Hà Nội [7] Phạm Thị Tốt (2014), Nghiên cứu ảnh hưởng polyanilin đến tính chất quang điện hóa titan đioxit, Luận văn thạc sĩ khoa học, Đại học Quốc Gia Hà Nội [8] Nguyễn Đình Triệu (1999), Các phương pháp vật lý ứng dụng hóa học, NXB đại học QGHN Ti ếng Anh [9] Abou-Elhagag A Hermas, Mohamed Abdel Salam, Salih S Al-Juaid (2013), In situ electrochemical preparation of multi- walled carbon nanotubes/polyaniline composite on the stainless steel, Progress in organic coatngs, 76, 1810-1813 [10] D D.Borole, U R.Kapadi, P P.Kumbhar , D G.Hundiwale (2002), Influence of inorganic and organic supporting electrolytes on the electrochemical synthesis 131 of polyaniline, poly (o-toluidine) and their copolymer thin films, Materials Letters, 56, 685-691 [11] G Wallae M Spinks, A.P Kane-Maguine, R.Teasdale (2003), Conductive electronactive polymers [12] J Vivekanandan, V Ponnusamy, A Mahudeswaran, P.S Vijayanand (2011), Synthesis, characterization and conductivity study of polyaniline prepared by 129 chemical oxidative and electrochemical methods, Archives of Applied Science reseach, (6), 147-153 [13] J Stejskal, R G Gilbert (2002), Polyaniline: Preparation of a conducting polymer, Pure Appl Chem., 74 (5), 857-867 [14] K.Gurunathan, A.Vadivel Electrochemically Murugan, synthesized R.Marimuthu, conducting U.P.Mulik polymeric (1999) materials for applications towards technology in electronics, optoelectronics and energy storage devices, Materials Chemistry and Physics, 61, 173- 191 [15] M Ghorbani, H Eisazadeh and A.A Ghoreyshi (2012), “Removal of zinc ions from aqueous soluton using polyaniline nanocomposite coated on rice husk”, Iranica Journal of Energy & Environment, (1), 66-71 [16] Neetka Gupta, Shalini Sharma, Irfan Ahmad Mir, D Kumar (2006), Advances in sensors based on conducting polymers, Journal of Scientfic & Industrial Research, 65, 549-557 [17] Nirmalya Ballav (2004), High-conducting polyaniline via oxidative polymerization of aniline by MnO2, PbO2 and NH4VO3, Materials Letters, 58, 3257- 3260 [18] R Ansari and F Raofie (2006), Removal of lead ion from aqueous solutions using sawdust coated by polyaniline, E-Journal of Chemistry, (10), 49-59 33 [19] Yu Sheng, Jian-ding Chen, De-qin Zhu, Christan Carrot, Jacques Juliet (2004), Synthesis of conductive polyaniline via oxidation by MnO2, Chinese Journal of Polymer Science, 22 (3), 269-277 [20] Zhi Chen, Cristna Della Pina, Ermelinda Falletta, Michele Rossy (2009), A green route to conducting polyaniline by copper catalysis, J of Catalysis, 267, 93-96 Mạng inte rnet [21] http://tuoitre.vn/tin/kinh-te/20130314/nguoi-viet-teu-thu-trung-binh115kgca-phenam/537848.html [22] https://www.puriocafe.com/tn-tuc/nhung-dieu-chua-biet/213-thanhphan- hoa-hoc-hat-cafe-nguyen-chat-khi-rang-se-thay-doi-nhu-thenao.html#.WPOPkfl97IW [23] http://quyetthangqn.com/khai-quat-chung-ve-cay-che-tnh-hinh-san-xuatteu-thu-che-tren-the-gioi-va-o-viet-nam/ [24] http://tckhgd.huce.vn:88/DOC_BAIBAO/33_516_NgoDuyY_12_ngo%20du y%20y_hoa.pdf [25] http://www.slideshare.net/ThuongPhamPy/tong-quan-traxanh 34 ... chọn đề tài: Tổng hợp vật liệu compozit bã 2+ chè – PANi – bã cafe định hướng xử lí mơi trường nhiễm ion Mn ” Mục tiêu nghiên cứu - Tổng hợp vật liệu định hướng xử lí mơi trường nhiễm kim loại... 18 2.1.2 Tổng hợp vật liệu hấp thu 19 2.1.2.1 Xử lí bã chè, bã cafe trước tổng hợp 19 2.1.2.2 Tổng hợp vật liệu hấp thu 19 2+ 2.1.3 Khả hấp thu ion Mn vật liệu tổng hợp 20... phụ vật liệu có cấu trúc đặc biệt PANi Cơ chế hấp phụ tùy thuộc vào dạng tồn ion dung dịch anion hay cation tùy thuộc vào môi trường pH [4] 1.5 Xử lí mơi trường bã chè bã cafe Bã cafe bã chè vật