Tổng hợp Polyacrylamit theo phương pháp trùng hợp nhũ tương và ứng dụng chống bụi

Lời cảm ơn Với thời gian có hạn mình, em hồn thành xong khố luận tốt nghiệp Nói thành cơng đó, em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Văn Khơi tồn thể anh chị phịng vật liệu polyme-Viện Hố học - Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam hướng dẫn nhiệt tình, động viên giúp đỡ em q trình tiến hành hồn thành khố luận Em xin ghi nhận giúp đỡ người em cố gắng ngày hồn thiện hơn, thành công công tác, để không phụ mà người giúp đỡ em Lời cam đoan Em xin cam đoan với hội đồng bảo vệ: Luận văn em, số liệu thu hoàn toàn trung thực với kết thực nghiệm Và Luận văn không trùng với tài liệu Mục lục Lời cảm ơn Lời cam đoan Mục lục Mở đầu Phần tổng quan 1.1 Acrylamit polyacrylamit 1.1.1 Giới thiệu acrylamit 1.1.1.1 Đặc điểm phân tử 1.1.1.2 Tính chất 1.1.2 Polyacrylamit (PAM) phản ứng trùng hợp gốc tự 1.1.2.1 Các giai đoạn phản ứng trùng hợp gốc 1.1.2.2 Động học phản ứng trùng hợp gốc tự 1.1.2.3 Độ dài chuỗi động học trung bình (V ) 12 1.1.2.4 Một số yếu tố ảnh hưởng đến trình trùng hợp gốc 13 1.1.2.5 Độ nhớt dung dịch khối lượng phân tử polyacrylamit (PAM) 14 1.2 Nhũ tương trùng hợp nhũ tương 16 1.2.1 Nhũ tương 16 1.2.2 Trùng hợp nhũ tương 16 1.2.2.1 Trùng hợp nhũ tương thuận 16 1.2.2.2 Trùng hợp nhũ tương ngược từ monome acrylamit 17 1.2.2.3 ảnh hưởng chất nhũ hoá tới trình trùng hợp 19 1.3 ứng dụng polyacrylamit 21 1.3.1 ứng dụng chung polyacrylamit(PAM) 21 1.3.2 Polyacrylamit phòng chống bụi 22 1.3.2.1 Giới thiệu chung bụi 22 1.3.2.2 Tình hình bụi Việt Nam 23 1.3.2.3 Polyacrylamit hiệu xử lí bụi 25 Phần thực nghiệm 26 2.1 Trùng hợp acrylamit 26 2.1.1 Dụng cụ hoá chất 26 2.1.1.1 Dụng cụ: 26 2.1.1.2 Hoá chất: 26 2.1.2 Tổng hợp polyacrylamit (theo phương pháp trùng hợp nhũ tương ngược) 26 2.1.3 Tách hỗn hợp sản phẩm 28 2.1.4 Phân tích sản phẩm 28 2.1.4.1 Xác định độ chuyển hoá phương pháp chuẩn độ nối đôi 28 2.1.4.2 Xác định trọng lượng phân tử polyme phương pháp đo độ nhớt 29 2.1.4.3 Phân tích nhiệt TGA 30 2.1.4.4 Phổ hồng ngoại 30 2.2 Thử khả chống bụi polyacrylamit (PAM) 30 2.2.1 Xác định thành phần đoàn lạp đất 30 2.2.1.1 Chuẩn bị mẫu 30 2.2.1.2 Cách tiến hành 30 2.2.2 Đo độ mài mòn đất 31 2.2.3 Đo tốc độ bay nước đất 31 Phần kết thảo luận 33 3.1 Phản ứng trùng hợp nhũ tương acrylamit 33 3.1.1 Các yếu tố ảnh hưởng tới phản ứng trùng hợp nhũ tương acrylamit 33 3.1.1.1 ảnh hưởng nhiệt độ 33 3.1.1.2 ảnh hưởng hàm lượng monome 34 3.1.1.3 ảnh hưởng nồng độ chất khơi mào (BP) 35 3.1.1.4 ảnh hưởng nồng độ chất nhũ hóa (SMO) 35 3.1.2 Phân tích sản phẩm 36 3.1.2.1 Phân tích nhiệt 36 3.1.2.2 Phổ hồng ngoại 37 3.2 Tác dụng chống bụi polyacrylamit 39 3.2.1 Thành phần đoàn lạp đất 39 3.2.2 Độ mài mòn đất 39 3.2.3 Đo tốc độ bay nước đất 41 Kết luận 42 Tài liệu Tham Khảo 44 Mở đầu Bụi ngày trở thành vấn đề đáng quan tâm công tác bảo vệ môi trường, lẽ tác hại nghiêm trọng mà bụi gây không ảnh hưởng tới sản xuất mà ảnh hưởng trực tiếp tới sức khoẻ đời sống nhân dân Vấn đề đặt địi hỏi quan tâm tồn xã hội bắt tay vào nghiên cứu nhà khoa học Có nhiều phương pháp khác để xử lí bụi, phương pháp dùng nước tưới làm ẩm đất, phương pháp dùng vật liệu chống bụi số loại muối, nhũ tương nhựa đường, dầu thực vật, đường mật, polyme tổng hợp, chất nhày, dẫn xuất lignin… Trong có sử dụng vật liệu tổng hợp từ acrylamit dẫn xuất nó, polyacrylamit vật liệu tổng hợp có hiệu cao việc làm giảm thiểu tác hại bụi Với lý đó, với hứng thú cá nhân đồng tình cơ, anh chị phịng Vật liệu Polyme - Viện Hoá học – Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam, em lựa chọn đề tài để làm khố luận tốt nghiệp Trong luận văn này, em tiến hành trùng hợp áp dụng với monome acrylamit phương pháp trùng hợp nhũ tương theo chế gốc tự nghiên cứu số yếu tố ảnh hưởng lên trình trùng hợp, đồng thời thử nghiệm khả chống bụi đất có mặt polyacrylamit Với giả thuyết ban đầu polyacrylamit trùng hợp nhũ tương có nhiều tính áp dụng cho việc xử lí bụi, nhiệm vụ cụ thể em tiến hành nghiên cứu lĩnh vực sau: ảnh hưởng nhiệt độ lên trình trùng hợp ảnh hưởng nồng độ chất khơi mào, nồng độ monome, nồng độ chất nhũ hoá lên trình trùng hợp Khả chống bụi polyacrylamit Phần Tổng Quan 1.1 Acrylamit polyacrylamit 1.1.1 Giới thiệu acrylamit 1.1.1.1 Đặc điểm phân tử Acrylamit có CTPT: C3H5NO (M=71đvC), CTCT : CH2 CH C NH2 O Acrylamit có tên gọi: - Tên Hố học (thông dụng): Acrylamit - Tên khác: Acrylic amit; Vinyl amit; axit Propennoic amit 1.1.1.2 Tính chất * Tính chất vật lí: Acrylamit kết tinh màu trắng, khơng mùi, có tnc=79oC Acrylamit tan tốt nước, metanol, etanol, đimetyl ete, axeton lại không tan nước, benzen, heptan Acrylamit chất độc thần kinh tác nhân gây ung thư, lượng acrylamit tồn dư phế phẩm polyacrylamit (PAM) công nghiệp phải < 0,05% * Tính chất hố học: Acrylamit có độ hoạt động hố học cao, hai trung tâm phản ứng chủ yếu nhóm amin nối đơi Do acrylamit có số tính chất hố học như: phản ứng thuỷ phân tạo axit acrylic, phản ứng khử thành amin (phản ứng thoái phân Hoffman), phản ứng tách nước tạo hợp chất nitrin.Acrylamit vừa thể tính axit yếu vừa thể tính bazơ yếu Tổng hợp polyme từ monome acrylamit: Acrylamit dễ bị polyme hoá điểm nóng chảy ánh sáng tia cực tím Với tinh thể acrylamit nhiệt độ phịng bền tiếp xúc với tác nhân oxy hoá như: Clo, Brom polyme hố xảy mãnh liệt Acrylamit tự trùng hợp hay đồng trùng hợp với monome có chứa gốc Vinyl khác axit acrylic điều kiện có gốc tự để hình thành polyme có khối lượng phân tử lớn Do người ta nói acrylamit hợp chất hố học trung gian tổng hợp polyacrylamit (PAM) Các polyme tổng hợp từ monome acrylamit biến đổi để tạo loại: không ion, anion, cation cho sử dụng riêng biệt 1.1.2 Polyacrylamit (PAM) phản ứng trùng hợp gốc tự PAM chữ viết tắt polyacrylamit điều chế từ trình trùng hợp monome acrylamit chất liên quan, tuỳ vào chiều dài mạch hay số loại nhóm chức mà có hàng trăm cơng thức PAM, nhìn chung có loại chính: Khơng ion PAM, cation PAM, anion PAM, cross-linking (có cấu trúc mạng khơng gian) Ví dụ: CTCT anion PMA: CH-CH2 CH-CH2 C=O C=O O- NH2 + Na ,NH4+ n m Thơng thường, cơng nghiệp có ba loại phản ứng polyme hoá chủ yếu phản ứng trùng ngưng, phản ứng dây chuyền gốc tự do, phản ứng xúc tác dạng Ziegler-Natta.PAM tổng hợp phản ứng dây chuyền gốc tự với xúc tác peroxit, hợp chất azo … tác dụng nhiệt tia tử ngoại 1.1.2.1 Các giai đoạn phản ứng trùng hợp gốc * Giai đoạn khơi mào Giai đoạn gồm hai phản ứng: hình thành gốc khơi mào đưa gốc khơi mào tới monome để hình thành gốc monome Chất khơi mào (I) R +R (gốc khơi mào) R + CH2=CH R-CH2-CH Y (1) (2) Y * Giai đoạn phát triển mạch Bao gồm phản ứng phát triển mạch, trình đưa gốc monome tới monome khác theo cách đưa gốc oligome tới monome Mỗi bước cộng ưu tiên theo hướng cộng đầu tới đuôi phản ứng (3), (4) CH2-CH + CH2=CH CH2-CH-CH2-CH Y Y Y Y (3) CH2-CH-CH2-CH-CH2-CH (4) CH2-CH-CH2-CH Y Y Y Y Y Điều kết hợp hiệu ứng không gian hiệu ứng electron, + CH2=CH Y lực đẩy không gian ưu tiên công gốc tự vào cacbon nối đơi có độ cản trở khơng gian nhỏ hiệu ứng electron làm ổn định gốc tự tạo * Giai đoạn ngắt mạch Quá trình phát triển mạch tiếp tục xảy có số phản ứng ngắt mạch xảy Hai đường mà ngắt mạch xảy trùng hợp gốc tự gốc nối hay kết hợp gốc (5) phản ứng dị li (6): ch2 ch + ch2 ch y y ch ch y y (5) ch = ch + ch2 ch (6) y y Bản chất trình ngắt mạch chuyển ngun tử (thường nguyên tử hyđro) Sự kết hợp mảnh khơi mào hai đầu cuối chuỗi polyme kết dẫn tới liên kết hai đầu Sự dị li ngược lại, mảnh khơi mào đầu Sự ngắt mạch dù theo kiểu gốc nối hay kiểu dị li phụ thuộc lớn vào cấu trúc monome, xác mạch gốc tự Một cách khác ngắt mạch ngắt mạch gốc ban đầu, liên kết gốc khơi mào tương đối cao hay độ nhớt cao cản trở khuếch tán gốc cuối mạch có khối lượng phân tử lớn CH2-CH-R CH2-CH + R (7) 1.1.2.2 Động học phản ứng trùng hợp gốc tự * Hằng số tốc độ : - Giai đoạn khơi mào Gồm hai bước, phân huỷ chất khơi mào để gốc khơi mào R , chuyển gốc khơi mào tới monome (M) cho gốc monome ChÊt khơi mào (I) R + Kd Ki M R M1 (ChËm) (8) (nhanh) (9) Kd, Ki số tốc độ hai phản ứng, (8) định giai đoạn khơi mào (Kkm=Kd) - Giai đoạn phát triển mạchM1 chuyển tới phân tử monome khác hình thành gốc M2 , đến lượt M2 tới M hình thành M3 … Kp M1 + M M2 + M M3 + M Kp Kp M3 (10) M2 (11) (12) M4 Chúng ta thấy, tốc độ giai đoạn khác nhau, tốc độ bước phát triển mạch nhau(Kp), không phụ thuộc vào độ dài chuỗi - Giai đoạn ngắt mạch mx + mx + my my k tc k tc mx+y mx + m y Kết hợ p (13) Dịli (14) Ch yu kết hợp gốc dị li, K tc, Ktd tương ứng số tốc độ phản ứng: * Tốc độ phản ứng - Giai đoạn khơi mào : 10 dung dịch chất chống bụi lên sàng Cho tồn sàng xuống xơ nước (sao cho ngập hết đất), dùng hai tay nhấc lên nhấc xuống với số lần qui định (10 lần chẳng hạn) Đem sàng sấy khô cân lại khối lượng sàng một, lấy kết trừ khối lượng ban đầu sàng ta thu khối lượng đoàn lạp đất theo kích thước sàng từ suy phần trăm tỷ lệ đồn lạp Tiến hành tương tự lần để thu số liệu ổn định 2.2.2 Đo độ mài mòn đất Đất Phú Thọ sấy khơ sau mang nghiền mịn máy nghiền bi Cân đất nghiền mịn khoảng 100g vào đĩa, cân lượng polyacrylamit (PAM) theo lượng cần sử dụng, trộn PAM đất (trộn khơ) Sau dùng pipet đong 50 ml H2O (có thể dd CaCl2…) tưới lên mẫu trộn khô Đợi cho mẫu có độ khơ cần thiết dùng khn sắt đúc mẫu đất thành hình hộp chữ nhật, đợi cho mẫu khơ (có thể sấy nhiệt độ thấp khoảng 45-80oC để giảm thời gian bay hơi) Các mẫu khơ mang đo độ mài mịn, q trình mài mịn có thời gian 1giờ, đo hai mẫu lúc Sau mang mẫu cân xác định tỷ lệ đất bị mài mòn Khi đo độ mài mòn, mẫu đo dùng giấy ráp điều chỉnh đến khối lượng để đặt lên đo chúng có trọng lực diện tích tiếp xúc kết đo xác 2.2.3 Đo tốc độ bay nước đất Trong thí nghiệm này, chúng tơi xác định tốc độ bay nước có đất thông qua việc xác định hàm lượng nước bay Thực nghiêm tiến hành mẫu đất giống khác ký hiệu (tương ứng với thành phần xử lí), gồm mẫu đất: mẫu N (xử lí nước), mẫu xử lí 31 dung dịch polyacrylamit tương ứng với nồng độ 0.01, 0.005 0.03% có ký hiệu là: mẫu VL10, mẫu VL5, mẫu VL3 Lấy mẫu 15 gam đất (đã xử lí dạng mịn), sau trộn vào mẫu đất tương ứng với 20ml nước (với mẫu N) 20ml loại dung dịch polyme tương ứng với ký hiệu mẫu đất Cho đất xử lí vào đĩa sạch, đem cân khối lượng đĩa đất Cuối đem đĩa đất để điều kiện thường theo dõi cân khối lượng đĩa theo ngày Theo dõi tổng thể ngày, để tổng hợp số liệu 32 Phần Kết Và thảo luận 3.1 Phản ứng trùng hợp nhũ tương acrylamit 3.1.1 Các yếu tố ảnh hưởng tới phản ứng trùng hợp nhũ tương acrylamit 3.1.1.1 ảnh hưởng nhiệt độ Điều kiện thí nghiệm sau: khối lượng dầu 60g có 6g chất nhũ hố (Span80), nước 90g, khối lượng monome acrylamit g; 0,09g benzoyl peroxit (BP); nghiên cứu nhiệt độ thay đổi: 60, 66, 70 0C Kết §é chun hãa (%) thu thể hình 2: 100 80 60 40 20 70oC 66 oC 60 oC 10 15 20 25 30 35 40 Thêi gian ( phót) Hình 2: ảnh hưởng nhiệt độ đến trình trùng hợp polyacrylamit Qua hình ta thấy nhiệt độ tăng tốc độ phản ứng tăng nhanh giai đoạn đầu (15 phút đầu) sau tăng chậm dần giá trị không đổi Điều giải thích sau: tăng nhiệt độ làm tăng tất phản ứng hóa học tất giai đoạn dẫn đến tăng tốc độ hình thành trung tâm hoạt động kết tăng tốc độ chuyển hóa monome thành polyme Tại nhiệt độ chúng tơi tiến hành xác định trọng lượng phân tử trung bình polyme tạo thành phương pháp đo độ nhớt Kết thu bảng sau: 33 Bảng 2: ảnh hưởng nhiệt độ đến trọng lượng phân tử trung bình polyme Nhiệt độ(0C) 60 66 70 M.10-6(g/mol) 1.62 1.51 0.9 Từ bảng nhận thấy tăng nhiệt độ trọng lượng phân tử giảm, tăng nhiệt độ làm tăng tốc độ tất phản ứng có phản ứng ngắt mạch, làm tăng hạt hoạt động Các kết tương tự trùng hợp dung dịch Sở dĩ không tiến hành khảo sát nhiệt độ cao nhũ tương không ổn định nhiệt độ thuận lợi cho phản ứng phân hủy gốc benzonyloxy thành gốc phenyl làm giảm mạnh hoạt tính gốc 3.1.1.2 ảnh hưởng hàm lượng monome Tại hàm lượng monome tiến hành xác định trọng lượng phân tử trung bình polyme cách đo độ nhớt thu kết (bảng 5) Bảng 3: ảnh hưởng hàm lượng monome đến KLPT trung bình polyme Hàm lượng monome (%) M.10-6 (g/mol) 8.5 9.5 10 0.15 0.44 0.91 1.01 1.32 Dựa kết thu nhận thấy tăng nồng độ monome giới hạn hiệu khối lượng phân tử polyacrylamit tăng, tăng nồng độ monome làm tăng khả tiếp xúc với gốc khơi mào tăng độ trùng hợp 34 3.1.1.3 ảnh hưởng nồng độ chất khơi mào (BP) Với cách làm trên, xét ảnh hưởng nồng độ chất khơi mào đến trọng lượng phân tử trung bình polyme phương pháp đo độ nhớt, thu kết bảng sau: Bảng 4: ảnh hưởng nồng độ chất khơi mào đến trọng lượng phân tử trung bình polyme Lượng BP (%) 0.6 0.8 1.2 1.4 M.10-6 g/mol 1.12 1.3 1.51 1.62 1.55 Dựa vào số liệu thu ta nhận thấy tăng hàm lượng xúc tác từ 0.6% đến 1.2% trọng lượng phân tử trung bình polyme tăng Sau giảm từ 1.2% đến 1.4% Vì tăng nồng độ monome khoảng thích hợp số lượng gốc tự tăng làm tăng khả trùng hợp.Vượt giới hạn xẽ làm tăng phản ứng ngắt mạch làm trọng lượng phân tử giảm 3.1.1.4 ảnh hưởng nồng độ chất nhũ hóa (SMO) Đánh giá ảnh hưởng nồng độ chất nhũ hố đến trọng lượng phân tử trung bình polyme chúng tơi tiến hành thí nghiệm với 40g pha dầu, 60g pha nước, 1.2% chất khơi mào, nhiệt độ trùng hợp 750C, hàm lượng monome 10% Khảo sát nồng độ chất nhũ hóa thay đổi từ 8% đến 10%, kết sau: Bảng 5: ảnh hưởng nồng độ chất nhũ hóa đến KLPT trung bình polyme Nồng độ chất nhũ hóa (%) M.10-6 (g/mol) 10 1,58 1,62 1,68 Từ bảng ta thấy tăng nồng độ chất nhũ hóa từ 8% đến 10% trọng lượng phân tử trung bình polyme tăng, kết phù hợp với thực nghiệm 35 3.1.2 Phân tích sản phẩm 3.1.2.1 Phân tích nhiệt Đánh giá độ bền nhiệt sản phẩm, dùng phương pháp phân tích nhiệt TGA để khảo sát thay đổi mẫu theo nhiệt độ PAA: Tại 130C trình nước khối lượng 16,83% Tại 311C trình amoniac khối lượng 35,86% Tại 600C q trình khí khác phân huỷ polyacrylamit khối lượng 81,72% 36 3.1.2.2 Phổ hồng ngoại 37 Phân tích phổ IR polyacrylamit ta có: Đỉnh 1689 cm-1: C=O amit 1608 cm-1: NH2 1454 cm-1: C–H (–CH2, –CH–) đây: : dao động biến dạng : dao động hoá trị Nhận thấy, phổ hồng ngoại xuất đỉnh 2945 cm-1, đỉnh đặc trưng cho dao động biến dạng CH2-CH-, mặt khác phổ không thấy xuất đỉnh 1600 cm-1 (đây đỉnh đặc trưng cho C=C), chứng tỏ sản phẩm trùng hợp 38 3.2 Tác dụng chống bụi polyacrylamit 3.2.1 Thành phần đoàn lạp đất Với cách tiến hành nêu trên, thu kết thể qua bảng sau Bảng 6: Tác dụng dung dịch chất chống bụi nước tới thành phần đoàn lạp đất Thành Dung dịch (PAM) Dung dịch (PAM) (0,01%) (0,05%) >0,9 22,54 53,14 9,08 0,45-0,9 12,38 15,04 4,38 0,3-0,45 11,86 8,02 6,86 0,2-0,3 13,06 7,04 7,94 0,125-0,2 11,98 5,66 10,50