Nghiên cứu khả năng hấp phụ Cu2+, Zn2+ của sợi xơ dừa biến tính bằng axit acrylic

1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Hiện nay, môi trường và ô nhiễm môi trường đang là vấn đề thời sự nóng bỏng được cả thế giới quan tâm. Nước là nguồn tài nguyên vô cùng quan trọng và cần thiết cho sự sống nhưng đang bị ô nhiễm nghiêm trọng. Do đó việc xử lý môi trường nước đang trở thành vấn đề được quan tâm không chỉ ở Việt Nam mà trên toàn thế giới. Đã có nhiều phương pháp được áp dụng nhằm tách các ion kim loại nặng ra khỏi môi trường nước như: phương pháp sinh học, phương pháp vật lý (phương pháp hấp phụ, phương pháp trao đổi ion,…), phương pháp hóa học,…Trong đó phương pháp hấp phụ sử dụng các vật liệu hấp phụ chế tạo từ các nguồn tự nhiên như vỏ trấu, bã mía, rau câu, than bùn,… để tách loại các kim loại nặng ra khỏi nguồn nước đã được nghiên cứu ở trong nước và trên thế giới. Và những loại vật liệu hấp phụ này là những nguồn nguyên liệu rẻ tiền, dễ kiếm, có khả năng ứng dụng rất lớn trong việc xử lý nguồn nước bị ô nhiễm kim loại nặng trong tương lai. Sợi xơ dừa là nguồn nguyên liệu phổ biến ở Việt Nam. Nhằm tận dụng nguồn nguyên liệu này chúng tôi đã tiến hành đồng trùng hợp ghép các monome lên xenlulozơ, qua đó tạo ra các vật liệu có khả năng trao đổi ion phù hợp, hấp phụ và giải hấp phụ nhanh từ sự trao đổi của các hạt. Vì vậy, chúng tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu khả năng hấp phụ ion Cu SVTH: LÊ THỊ THU HỒNG LỚP: 08SHH 2+ , Zn của sợi xơ dừa biến tính bằng axit acrylic ”.

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP 1 GVHD: TS. TRẦN MẠNH LỤC SVTH: LÊ THỊ THU HỒNG LỚP: 08SHH ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KHOA HÓA ---------- NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ Cu 2+ , Zn 2+ CỦA SỢI XƠ DỪA BIẾN TÍNH BẰNG AXIT ACRYLIC KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN SƢ PHẠM Sinh viên thực hiện : Lê Thị Thu Hồng Lớp : 08SHH Giáo viên hướng dẫn : TS. Trần Mạnh Lục Đà Nẵng – 2012 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP 2 GVHD: TS. TRẦN MẠNH LỤC SVTH: LÊ THỊ THU HỒNG LỚP: 08SHH ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐHSP Độc lập – Tự do – Hạnh phúc KHOA HÓA ---------- NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: Lê Thị Thu Hồng Lớp : 08SHH 1. Tên đề tài: “Nghiên cứu khả năng hấp phụ Cu 2+ , Zn 2+ của sợi xơ dừa biến tính bằng axit acrylic” 2. Nguyên liệu, hóa chất, dụng cụvà thiết bị chính: - Nguyên liệu: xơ dừa, axit acrylic - Dụng cụ, thiết bị: dụng cụ thủy tinh, cân phân tích, rây, máy khuấy từ,… 3. Nội dung nghiên cứu: - Điều chế ra copolyme ghép. - Nghiên cứu khả năng hấp phụ ion Cu 2+ , Zn 2+ của copolyme ghép. 4. Giáo viên hƣớng dẫn: TS. Trần mạnh Lục 5. Ngày giao đề tài: 27/06/2011 6. Ngày hoàn thành: 20/05/2012 Chủ nhiệm khoa Giáo viên hƣớng dẫn (Ký và ghi rõ họ, tên) (Ký và ghi rõ họ, tên) Sinh viên đã hoàn thành và nộp báo cáo cho Khoa ngày 25 tháng 05 năm 2012. Kết quả điểm đánh giá: KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP 3 GVHD: TS. TRẦN MẠNH LỤC SVTH: LÊ THỊ THU HỒNG LỚP: 08SHH Ngày tháng . năm 2012 CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG (Ký và ghi rõ họ, tên) KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP 4 GVHD: TS. TRẦN MẠNH LỤC SVTH: LÊ THỊ THU HỒNG LỚP: 08SHH MỞ ĐẦU 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Hiện nay, môi trường và ô nhiễm môi trường đang là vấn đề thời sự nóng bỏng được cả thế giới quan tâm. Nước là nguồn tài nguyên vô cùng quan trọng và cần thiết cho sự sống nhưng đang bị ô nhiễm nghiêm trọng. Do đó việc xử lý môi trường nước đang trở thành vấn đề được quan tâm không chỉ ở Việt Nam mà trên toàn thế giới. Đã có nhiều phương pháp được áp dụng nhằm tách các ion kim loại nặng ra khỏi môi trường nước như: phương pháp sinh học, phương pháp vật lý (phương pháp hấp phụ, phương pháp trao đổi ion,…), phương pháp hóa học,…Trong đó phương pháp hấp phụ sử dụng các vật liệu hấp phụ chế tạo từ các nguồn tự nhiên như vỏ trấu, bã mía, rau câu, than bùn,… để tách loại các kim loại nặng ra khỏi nguồn nước đã được nghiên cứu ở trong nước và trên thế giới. Và những loại vật liệu hấp phụ này là những nguồn nguyên liệu rẻ tiền, dễ kiếm, có khả năng ứng dụng rất lớn trong việc xử lý nguồn nước bị ô nhiễm kim loại nặng trong tương lai. Sợi xơ dừa là nguồn nguyên liệu phổ biến ở Việt Nam. Nhằm tận dụng nguồn nguyên liệu này chúng tôi đã tiến hành đồng trùng hợp ghép các monome lên xenlulozơ, qua đó tạo ra các vật liệu có khả năng trao đổi ion phù hợp, hấp phụ và giải hấp phụ nhanh từ sự trao đổi của các hạt. Vì vậy, chúng tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu khả năng hấp phụ ion Cu 2+ , Zn 2+ của sợi xơ dừa biến tính bằng axit acrylic ”. 2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU - Đánh giá khả năng hấp phụ của sợi xơ dừa biến tính bằng axit acrylic. - Xác định các điều kiện thích hợp của quá trình hấp phụ các ion kim loại: Cu 2+ và Zn 2+ lên sợi xơ dừa biến tính. - Khảo sát khả năng tái hấp phụ của vật liệu. KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP 5 GVHD: TS. TRẦN MẠNH LỤC SVTH: LÊ THỊ THU HỒNG LỚP: 08SHH 3. ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU Sợi xơ dừa, axit acrylic. 4. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 4.1. Nghiên cứu lý thuyết Thu thập, tổng hợp, phân tích các tài liệu, tư liệu, các công trình nghiên cứu về thành phần, cấu tạo và tính chất của sợi xơ dừa; về phương pháp đồng trùng hợp ghép và các phương pháp hấp phụ của các ion kim loại. 4.2. Nghiên cứu thực nghiệm - Nghiên cứu các đặc tính hóa lý của sợi xơ dừa: xác định độ ẩm, quá trình xử lý và đồng trùng hợp ghép sợi xơ dừa bằng chất khơi mào amonipesunphat ở điều kiện tối ưu. - Nghiên cứu khả năng hấp phụ ion Cu 2+ và Zn 2+ của copolyme ghép bằng phương pháp hấp phụ bể. - Khảo sát khả năng tái hấp phụ của vật liệu: Dùng axit giải hấp phụ rồi tiến hành hấp phụ ở điều kiện tối ưu tìm được. 5. Ý NGHĨA KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI Các kết quả thu được là tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu tiếp theo về sợi xơ dừa cùng các vấn đề liên quan như: góp phần vào lĩnh vực nghiên cứu các hợp chất cao phân tử về mặt lý thuyết và tạo ra một vật liệu có khả năng hấp phụ các ion kim loại, ứng dụng trong tách làm giàu và xử lý ô nhiễm môi trường. 6. CẤU TRÚC LUẬN VĂN GỒM CÁC PHẦN Ngoài phần mở đầu, tài liệu tham khảo, phụ lục và một số hình ảnh trong báo cáo luận văn gồm 3 chương như sau: Chương 1: Tổng quan 16 trang (từ trang 0318). Chương 2: Thực nghiệm 07 trang (từ trang 1925). Chương 3: Kết quả và thảo luận 17 trang (từ trang 2642). KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP 6 GVHD: TS. TRẦN MẠNH LỤC SVTH: LÊ THỊ THU HỒNG LỚP: 08SHH CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. SƠ LƢỢC VỀ NGUYÊN LIỆU SỢI XƠ DỪA 1.1.1. Sợi xơ dừa Xơ dừa là một chất xơ tự nhiên được tách ra từ vỏ quả dừa và được sử dụng trong các sản phẩm như thảm sàn, bàn chải, nệm, dây thừng, Về mặt kỹ thuật xơ dừa là vật liệu sợi được tìm thấy ngoài lớp vỏ cứng của trái dừa. Hình 1.1. Trái dừa Hình 1.2. Sợi xơ dừa 1.1.2. Cấu trúc của sợi xơ dừa [14, 15] Các sợi xơ dừa có các tế bào sợi cá nhân được thu hẹp và rỗng, với những bức tường dày được làm từ xenlulozơ. Chúng có màu nhạt khi chưa trưởng thành nhưng sau đó trở thành cứng và có màu vàng của một lớp lignin được lắng đọng trên các xenlulozơ. Mỗi tế bào dài khoảng 1 mm (0.04 in) và đường kính thường từ 10 đến 20 micromet (0.0004 đến 0,0008 in). Sợi xơ dừa có chiều dài thường là từ 10 đến 30 cm (4 đến 12 in). Có hai loại xơ dừa. Xơ dừa nâu được thu hoạch từ dừa chín hoàn toàn. Chúng dày, chắc và có khả năng chống mài mòn cao. Chúng thường được sử dụng trong chiếu, bàn chải Sợi xơ dừa nâu trưởng thành có chứa lignin và xenlulozơ ít hơn so với những sợi khác như lanh, bông và vì vậy mà nó mạnh mẽ nhưng ít linh hoạt hơn. Sợi xơ dừa trắng được thu hoạch từ các quả dừa trước khi chín. Những KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP 7 GVHD: TS. TRẦN MẠNH LỤC SVTH: LÊ THỊ THU HỒNG LỚP: 08SHH sợi này có màu trắng hoặc ánh sáng màu nâu và mượt mà và mịn hơn, nhưng cũng yếu hơn. Chúng thường được quay thành sợi để sử dụng trong chiếu, thảm chùi chân hoặc dây thừng. Các sợi xơ dừa tương đối không thấm nước và là một trong những loại sợi tự nhiên có khả năng chịu được sự phá hủy của nước muối. Nước ngọt được sử dụng để xử lý xơ dừa nâu, trong khi nước biển và nước ngọt đều được sử dụng trong sản xuất xơ dừa trắng. 1.1.3. Tính chất của sợi xơ dừa [3] Xơ dừa được tách ra từ vỏ quả dừa. Chiều dài sợi khác nhau, từ 10-30 cm. Sợi xơ dừa mạnh, đàn hồi, có một độ bền màu thấp và độ bền cao (vì thành phần xenlulozơ 35-45%, 40-45% lignin và pectin 2,7-4% và hemixenlulozơ 0,15-0,25%). Prabhu đã nghiên cứu những tính chất cơ học sợi xơ dừa như mô đun Young, độ bền kéo, độ giãn dài, độ dẫn điện, và so sánh với các loại sợi tự nhiên khác nhau như dứa, chuối, đay,… Các kết quả được đưa ra dưới các bảng 1.1 về tính chất cơ lý của sợi xơ dừa. Bảng 1.1. Tính chất cơ lý của sợi xơ dừa Giá trị Đơn vị Mô đun Young 4000-5000 Mpa Độ bền kéo 140-150 Mpa Độ giãn dài 15-17.3 % Độ dẫn điện 0,047 W/mK Tỷ trọng 1.15-1.33 g/cm 3 Độ thấm nước 10 % KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP 8 GVHD: TS. TRẦN MẠNH LỤC SVTH: LÊ THỊ THU HỒNG LỚP: 08SHH Thành phần hóa học của vỏ dừa và sợi xơ dừa được thể hiện dưới bảng 1.2. Bảng 1.2. Thành phần hóa học của vỏ dừa và sợi xơ dừa 1.2. XỬ LÝ SỢI XƠ DỪA 1.2.1. Lý thuyết chung về quá trình xử lý sợi [8, 12] Thành phần của sợi thực vật gồm: xenlulozơ, hemixenlulozơ, lignin và các chất khác. Thực chất của quá trình xử lý sợi là dùng hóa chất để tách những phần không cần thiết có trong sợi thực vật như: lignin, pectin, chất trích ly,… đó là những phần vô định hình, kém ổn định, làm giảm tính chất cơ lý, hóa lý của sợi thực vật. Để phản ứng xảy ra, hoá chất cần xâm nhập vào các hình thái cấu trúc này. Để tăng cường khả năng tiếp cận và khả năng phản ứng, xenlulozơ cần được gây trương và loại bỏ hemixenlulozơ, lignin. Một số tác nhân gây trương thường được sử dụng là H 2 SO 4 , NaOH, ZnCl 2 … 1.2.2. Ảnh hƣởng của NaOH Khi ngâm sợi thực vật trong dung dịch NaOH thì có hai quá trình đồng thời cùng xảy ra đó là quá trình tách lignin, các phần vô định hình và quá trình NaOH tương tác với các đại phân tử holoxenlulozơ, chúng phụ thuộc vào nồng độ NaOH và thời gian xử lý. Khi nồng độ dung dịch NaOH thấp thì nó hòa tan phần vô định hình, còn xenlulozơ chỉ bị tác động nhẹ. Dung dịch NaOH có nồng độ 5  30% có khả năng hòa tan các chất vô định hình. Khi tăng nồng độ NaOH và tăng thời gian xử lý thì quá trình tách phần vô định Thuộc tính Tỷ lệ phần trăm Tổng nước môi cho 26,00 Pectin . hòa tan trong nước sôi 14,25 Hemixenlulozơ 8,50 Lignin 29,23 Xenlulozơ 23,81 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP 9 GVHD: TS. TRẦN MẠNH LỤC SVTH: LÊ THỊ THU HỒNG LỚP: 08SHH hình tăng không đáng kể vì hàm lượng của chúng có trong sợi là giới hạn, trong khi đó quá trình tương tác giữa NaOH và các mạch đại phân tử holoxenlulozơ lại tăng. 1.2.3. Ảnh hƣởng của dung dịch axit Xenlulozơ bị trương nở trong dung dịch axit loãng. Trong môi trường axit đậm đặc như: H 2 SO 4 72%, HCl 44%, H 3 PO 4 85%,… xenlulozơ sẽ bị hòa tan. Dưới tác dụng của axit, mối liên kết glucozit sẽ bị thủy phân làm cho mạch xenlulozơ bị đứt. Tốc độ của quá trình thủy phân phụ thuộc vào độ mạnh yếu của axit. Ngoài ra, tốc độ thủy phân xenlulozơ phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ môi trường. 1.2.4. Ảnh hƣởng của nhiệt độ Nhiệt độ cũng tác động rất lớn đến quá trình xử lý sợi. Khi tăng nhiệt độ thì quá trình tách các chất diễn ra nhanh hơn. Nhưng dưới tác dụng của nhiệt độ cao, xenlulozơ bị depolyme hóa, độ trùng hợp giảm dần. Xenlulozơ bắt đầu phân hủy ở 180 0 C. Trong quá trình xử lý sợi bằng kiềm ở nhiệt độ cao thì một phần lớn liên kết ete  - aryl bị phân hủy dẫn đến tăng khả năng hòa tan các chất trong quá trình xử lý sợi. Dưới tác dụng của nhiệt sẽ làm bẻ gãy đáng kể các liên kết ete ở  C mạch hở và ở  C , phân chia lignin thành các phần nhỏ hơn. Đây là động lực chính dẫn tới hòa tan lignin. 1.2.5. Ảnh hƣởng của tác nhân oxy hóa Trong quá trình xử lý sợi các tác nhân oxi hóa cũng góp phần đáng kể vào quá trình tách các tạp chất. Một số tác nhân oxi hóa thường dùng là H 2 O 2 , O 2 ,… Tác nhân oxi hóa có thể oxi hóa lignin trong môi trường kiềm, các sản phẩm của quá trình này sẽ dễ hòa tan vào các dung môi như kiềm,… Mặt KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP 10 GVHD: TS. TRẦN MẠNH LỤC SVTH: LÊ THỊ THU HỒNG LỚP: 08SHH khác, nó cũng có thể phân hủy mạch xenlulozơ. Dưới tác dụng oxi hóa của oxi trong môi trường kiềm, mạch phân tử xenlulozơ bị cắt ngắn, thể hiện qua giá trị độ nhớt đặc trưng liên tục giảm trong quá trình phản ứng. 1.3. XỬ LÝ SỢI TỰ NHIÊN TẠO RA CÁC LOẠI SỢI ĐÁP ỨNG NHU CẦU BIẾN TÍNH [1, 3] Khi nghiên cứu quá trình ghép trên nền xenlulozơ thì trạng thái vật lý của nền xenlulozơ dùng cho quá trình ghép là một tiêu chuẩn quan trọng trong việc xác định bản chất của quá trình ghép. Kết quả ghép với xenlulozơ ở dạng bột cho các thông số ghép tốt hơn so với dạng sợi. Trong trường hợp màng thì chiều dày của màng là rất quan trọng do sự hạn chế trong quá trình khuếch tán của monome. Gần đây một số tác giả đã tiến hành các nghiên cứu với xenlulozơ ban đầu được xử lý bằng kiềm, sau đó được kéo tới những giới hạn khác nhau và so sánh các giá trị thu được của các thông số trong quá trình đồng trùng hợp ghép. Kết quả cho thấy rằng kéo càng mạnh thì ghép càng ít. Về mối liên quan giữa hiệu quả ghép với nhiễu cấu trúc gây ra do kéo, kết quả nghiên cứu tia X chỉ ra rằng tăng giá trị kéo đi kèm với tăng hướng và tính kết tinh làm cho nhóm hydroxyl, chịu trách nhiệm khơi mào quá trình ghép, có trật tự cao và trở nên khó phản ứng hơn. Khi sử dụng xenlulozơ tự nhiên như đay, tre, bột gỗ mềm, bột vỏ trấu, hạt bông . làm vật liệu nền thì trong hầu hết các trường hợp, thông số ghép phụ thuộc vào hàm lượng lignin có mặt trong chất nền. Nói chung hàm lượng lignin càng cao thì hiệu suất ghép càng thấp. Điều này là do lignin hoạt động như một chất bắt gốc tốt, làm hạn chế quá trình ghép. Chẳng hạn ta nhận thấy có sự giảm cường độ tín hiệu của phổ ESR (phổ cộng hưởng spin điện tử) liên quan đến việc tăng hàm lượng lignin của xenlulozơ được chiếu xạ quang học. Như đã nói ở trên, mặc dù lignin là một chất làm chậm quá trình ghép, nhưng đôi khi ở một số phương pháp khơi mào lại cho kết quả ngược lại. Ví dụ, nếu bột xenlulozơ chứa lignin được ozone hoá và tiếp tục được ghép với . 2+ , Zn 2+ của sợi xơ dừa biến tính bằng axit acrylic ”. 2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU - Đánh giá khả năng hấp phụ của sợi xơ dừa biến tính bằng axit acrylic. -. ưu. - Nghiên cứu khả năng hấp phụ ion Cu 2+ và Zn 2+ của copolyme ghép bằng phương pháp hấp phụ bể. - Khảo sát khả năng tái hấp phụ của vật liệu: Dùng axit