Tổng hợp silica từ tro trấu để tạo màng composite poly (vinil alcohol) ứng dụng khử nước dung dịch ethanol bằng công nghệ thẩm thấu bốc hơi

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT HĨA HỌC BÙI RẠNG ĐƠNG TỔNG HỢP SILICA TỪ TRO TRẤU ĐỂ TẠO MÀNG COMPOSITE POLY(VINYL ALCOHOL) ỨNG DỤNG KHỬ NƯỚC DUNG DỊCH ETHANOL BẰNG CÔNG NGHỆ THẨM THẤU BỐC HƠI Chuyên ngành: Kỹ Thuật Hóa Học Mã số: 60520301 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, 2017 Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM Cán hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN HỮU HIẾU (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét 1: PGS TS HUỲNH KỲ PHƯƠNG HẠ (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét 2: TS HOÀNG THỊ KIM DUNG (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM, ngày 12 tháng 01 năm 2017 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ): PGS.TS Phan Minh Tân - Chủ tịch TS Nguyễn Trường Sơn - Thư ký PGS.TS Huỳnh Kỳ Phương Hạ - Ủy viên Phản biện TS Hoàng Thị Kim Dung - Ủy viên Phản biện TS Hoàng Minh Nam - Ủy viên Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA………………… ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Bùi Rạng Đông MSHV: 7140783 Ngày, tháng, năm sinh: 15/07/1989 Nơi sinh: Đồng Tháp…… Chuyên ngành: Kỹ Thuật Hóa Học Mã số: 60520301……… I TÊN ĐỀ TÀI: “TỔNG HỢP SILICA TỪ TRO TRẤU ĐỂ TẠO MÀNG COMPOSITE POLY(VINYL ALCOHOL) ỨNG DỤNG KHỬ NƯỚC DUNG DỊCH ETHANOL BẰNG CÔNG NGHỆ THẨM THẤU BỐC HƠI” NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: 2.1 Tổng quan: Tro trấu, silica, poly(vinyl alcohol) (PVA), tác nhân tạo liên kết ngang axit maleic (MA) màng composite SiO /PVA Giới thiệu tính chất, đặc điểm, ứng dụng silica màng SiO /PVA Các phương pháp tổng hợp silica từ tro trấu Các phương pháp nâng cao nồng độ dung dịch cồn Phương pháp thẩm thấy bốc hơi: khái niệm, ứng dụng, ưu nhược điểm thông số đánh giá hiệu làm khan nước dung dịch ethanol 2.2 Thực nghiệm: 2.2.1 Tổng hợp silica từ tro trấu 2.2.2 Phân tích độ tinh khiết, hình thái, cấu trúc đặc tính silica tổng hợp 2.2.3 Tổng hợp màng MA-PVA SiO /MA-PVA với hàm lượng MA tối ưu 2.2.4 Khảo sát ảnh hưởng tác nhân liên kết ngang MA đến khả làm khan nước dung dịch ethanol hệ thống thẩm thấu bốc 2.2.5 Khảo sát ảnh hưởng hàm lượng SiO đến khả làm khan nước dung dịch ethanol hệ thống thẩm thấu bốc 2.2.6 Phân tích hình thái, cấu trúc đặc tính màng PVA, MA-PVA SiO /MAPVA tối ưu 2.3 Kết bàn luận 2.4 Kết luận kiến nghị II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 04/07/2016 III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 04/12/2016 IV CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên): TS NGUYỄN HỮU HIẾU Tp HCM, ngày tháng năm 20 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký) TRƯỞNG KHOA….……… (Họ tên chữ ký) Ghi chú: Học viên phải đóng tờ nhiệm vụ vào trang tập thuyết minh LV Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Nguyễn Hữu Hiếu LỜI CẢM ƠN Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tập thể thầy cô Khoa Kỹ Thuật Hóa Học, đặc biệt TS Nguyễn Hữu Hiếu Thầy tận tình trang bị giúp kiến thức cần thiết để nghiên cứu khoa học hướng dẫn tận tình thầy trình thực luận văn Tác giả xin gửi lời cảm ơn đến bạn Trần Mạnh Hoàng, Nguyễn Ngọc Nghĩa thành viên Phịng Thí Nghiệm Trọng Điểm ĐHQG TP.HCM Cơng Nghệ Hóa Học Dầu Khí thân thiện giúp đỡ suốt trình thực luận văn Một lần xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy cô, bạn gia đình giúp đỡ tác giả hồn thành luận văn Học viên thực Bùi Rạng Đông i Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Nguyễn Hữu Hiếu TÓM TẮT LUẬN VĂN Trong luận văn này, silica tổng hợp từ tro trấu phương pháp axitbazơ-axit Sản phẩm silica khảo sát hình thái, cấu trúc đặc tính phương pháp: phổ huỳnh quang tia X (XRF), nhiễu xạ tia X (XRD), kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR) diện tích bề mặt riêng BET Kết phân tích cho thấy sản phẩm silica tổng hợp có: độ tinh khiết 99,2%, cấu trúc vơ định hình, kích thước hạt từ 20-50 nm diện tích bề mặt riêng 333,918 m2/g Sản phẩm silica sử dụng để tổng hợp màng composite sở poly(vinyl alcohol) (PVA) có dùng tác nhân nối mạng axit maleic (MA) phương pháp bay dung môi Hiệu làm khan nước dung dịch ethanol 80% khối lượng đánh giá công nghệ thẩm thấu bốc Kết thí nghiệm thẩm thấu bốc cho thấy màng 10SiO /20MA-PVA (10% SiO 20% MA theo khối lượng) cho hiệu làm khan nước tối ưu tốt so với màng 20MA-PVA PVA Thông lượng (J), độ chọn lọc (α) số phân tách thẩm thấu bốc (PSI) màng 0,059 kg/m2h, 175,12 10,27 kg/m2h Hình thái, cấu trúc đặc tính màng PVA, 20MA-PVA 10SiO /20MAPVA khảo sát phổ FT-IR, XRD, độ trương nở, góc thấm ướt, kính hiển vi điện tử quét (SEM) độ bền kéo nhiệt lượng quét vi sai (DSC) Phổ FT-IR XRD khẳng định xuất liên kết ngang mạng tinh thể PVA Kết đo độ trương nở, góc thấm ướt độ bền kéo cho thấy việc sử dụng MA silica làm tăng độ bền học giảm tính thấm nước màng Kết phân tích DSC khẳng định việc sử dụng MA silica làm tăng độ bền nhiệt màng composite iii Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Nguyễn Hữu Hiếu ABSTRACT In this thesis, silica was successfully synthesized from rice husk ash by acidbase-acid method Silica product was surveyed by morphology, structure and characteristics by methods: X-ray fluorescence (XRF), X-ray diffraction (XRD), transmission electron microscopy (TEM), Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), specific surface area BET These results showed that synthesized silica product has a purity of 99,2%, amorphous phase, a particle size of 20-50 nm and the specific surface area of 333,918 m2/g Synthesized silica was used to synthesize composite membrane based on poly (vinyl alcohol) (PVA) with cross-linking agent maleic acid (MA) by solvent evaporation method Pervaporation performance of dehydrating ethanol 80% solution was studied on pervaporation system Experimental results showed that 10SiO /20MA-PVA membrane (10% w/w SiO and 20% w/w MA) was optimal and better than 20MA-PVA and MA membrane on dehydrating ethanol solution The flux (J), selectivity (α) and pervaporation separation index (PSI) of this membrane were 0,059 kg/m2h, 175,12 and 10,27 kg/m2h, respectively Morphology, structure and characteristics of 10SiO /20MA-PVA membrane were investigated by FT-IR, XRD, swelling rate, contact angle, mechanical durability, scanning electron microscopy (SEM) and differential scanning calorimeter (DSC) FT-IR and XRD results have confirmed the presence of crosslinking PVA in the crystal lattice Swelling rate, mechanical durability and contact angle measurement have shown that the use of silica and MA help improve mechanical durability and reduce permeability DSC result has confirmed the use of MA and silica help increase the thermal stability of composite membrane iv Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Nguyễn Hữu Hiếu LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thân Các thơng tin trích dẫn luận văn ghi rõ nguồn gốc Kết trình bày luận văn thu thập trình nghiên cứu trung thực chưa công bố trước TP Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2016 Tác giả luận văn Bùi Rạng Đông ii Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Nguyễn Hữu Hiếu DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Các từ viết tắt Chú thích SiO Silica PVA Poly(vinyl alcohol) MA Axit maleic X-Ray Diffaction XRD (Nhiễu xạ tia X) Fourier Transform Infrared Spectroscopy FT-IR (Phổ hồng ngoại chuyển đổi Fourier) Transmission Electron Microscopy TEM (Kính hiển vi điện tử truyền qua) Scanning Electron Microscopy SEM (Kính hiển vi điện tử quét) X-Ray Fluorescence XRF (Phổ huỳnh quang tia X) Differential Scanning Calorimetry DSC (Nhiệt lượng quét vi sai) BET Brunauer – Emmett – Teller v Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Nguyễn Hữu Hiếu DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Aerogel làm từ tro trấu Hình 1.2: Cấu trúc mơ trật tự xếp đơn vị tứ diện silica Hình 1.3: Mơ hình cấu trúc tứ diện SiO .5 Hình 1.4: Cấu trúc tinh thể silica Hình 1.5: Sơ đồ tổng hợp silica phương pháp sol-gel từ TEOS .12 Hình 1.6: Các thạch anh .13 Hình 1.7: Phản ứng tạo thành PVA từ vinyl acetate 18 Hình 1.8: Mơ hình liên kết ngang liên phân tử nội phân tử 19 Hình 1.9: Cơ chế hình thành liên kết ngang PVA glutaradehit 21 Hình 1.10: Cơ chế hình thành liên kết ngang PVA, axit maleic fumaric .22 Hình 1.11: Cơ chế hình thành liên kết ngang PVA axit malic 23 Hình 1.12: Sơ đồ nguyên lý trình thẩm thấu bốc 25 Hình 1.13: Các dạng đường đẳng nhiệt hấp phụ 32 Hình 1.14: Cấu tạo máy nhiệt lượng quét vi sai 33 Hình 1.15: Thiết bị đo độ bền kéo 35 Hình 1.16: Góc thấm ướt 36 Hình 2.1: Tro trấu nguyên liệu 38 Hình 2.2: Quy trình tổng hợp silica 40 Hình 2.3: Quy trình tổng hợp màng composite MA-PVA 41 Hình 2.4: Quy trình tổng hợp màng composite SiO /MA-PVA .42 Hình 2.5: Hệ thống thẩm thấu bốc thực tế 43 Hình 2.6: Sơ đồ hệ thống thẩm thấu bốc 45 Hình 3.1: Sản phẩm silica tổng hợp………………………………………… 50 Hình 3.2: Phổ FT-IR silica tổng hợp 52 Hình 3.3: Giản đồ XRD silica tổng hợp 53 Hình 3.4: Ảnh TEM silica tổng hợp…………………………………… 54 vi Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Nguyễn Hữu Hiếu PHỤ LỤC 2: KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM THẨM THẤU BỐC HƠI Khối lượng dịng thẩm thấu W (g) Nồng độ ethanol dòng thẩm thấu (%kl) J (kg/m2h) α PSI (kg/m2h) 0,4810 15,5 0,085 30,40 2,50 0,6477 10 0,115 36,36 4,05 10 0,5680 0,101 54,18 5,34 20 0,3606 0,064 125,37 7,93 30 0,4883 5,5 0,086 67,43 5,74 40 0,5595 12 0,099 29 2,77 0,3674 0,065 123,12 7,94 0,3900 0,069 129,03 8,83 10 0,3335 2,5 0,059 175,12 10,27 15 0,4352 0,077 80,67 6,13 20 0,5539 0,098 40,72 3,89 Màng %MA/PVA %SiO /MA-PVA Phụ lục 2.1: Thông lượng, độ chọn lọc số PSI màng 78 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Nguyễn Hữu Hiếu PHỤ LỤC 3: KẾT QUẢ PHÂN TÍCH MÀNG Phụ lục 3.1: Phổ FT-IR màng MA-PVA a) PVA b) 5MA-PVA 79 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Nguyễn Hữu Hiếu c) 10MA-PVA d) 20MA-PVA 80 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Nguyễn Hữu Hiếu e) 30MA-PVA f) 40MA-PVA 81 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Nguyễn Hữu Hiếu Phụ lục 3.2: Giản đồ XRD màng a) Màng PVA 82 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Nguyễn Hữu Hiếu b) Màng 20MA-PVA 83 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Nguyễn Hữu Hiếu c) Màng 10SiO /20MA-PVA Phụ lục 3.3: Độ trương nở màng Màng m1 Độ trương nở m2 trung bình, % PVA 0,7165 0,7275 2,0793 2,1320 191,6 20MA-PVA 0,7587 0,7401 1,1671 1,1696 55,9 10SiO /20MA-PVA 0,8022 0,7954 0,9842 0,9991 24,1 84 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Nguyễn Hữu Hiếu Phụ lục 3.4: Góc thấm ướt a) 10SiO /20MA-PVA- LẦN b) 10SiO /20MA-PVA- LẦN 85 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Nguyễn Hữu Hiếu c) 20MA-PVA-LẦN d) 20MA-PVA-LẦN 86 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Nguyễn Hữu Hiếu e) PVA-LẦN f) PVA-LẦN 87 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Nguyễn Hữu Hiếu Phụ lục 3.5: Ảnh SEM màng 10SiO /20MA-PVA a) b) 88 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Nguyễn Hữu Hiếu Phụ lục 3.5: Độ bền kéo màng 89 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Nguyễn Hữu Hiếu Phụ lục 3.6: DSC màng a) Màng PVA 90 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Nguyễn Hữu Hiếu b) Màng 20MA-PVA 91 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Nguyễn Hữu Hiếu c) Màng 10SiO /20MA-PVA 92 ... TÀI: “TỔNG HỢP SILICA TỪ TRO TRẤU ĐỂ TẠO MÀNG COMPOSITE POLY( VINYL ALCOHOL) ỨNG DỤNG KHỬ NƯỚC DUNG DỊCH ETHANOL BẰNG CÔNG NGHỆ THẨM THẤU BỐC HƠI” NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: 2.1 Tổng quan: Tro trấu, silica, ... chất độn polyme 1.4.3 Ứng dụng cơng nghệ thẩm thấu bốc Hình 1.12: Sơ đồ nguyên lý trình thẩm thấu bốc [29] Silica ứng dụng làm màng composite công nghệ thẩu thấu bốc dùng để loại chất hữu nước bẩn... nâng cao hiệu làm khan nước màng composite công nghệ thẩm thấu bốc để sản xuất nhiên liệu 1.5.2 Mục tiêu Tổng hợp silica từ tro trấu có độ tinh khiết cao Tổng hợp màng composite SiO /MA-PVA với