NGHIÊN cứu CHẾ tạo NHỰA dễ PHÂN hủy SINH học đi từ TINH bột sắn dựa TRÊN nền NHỰA PVA

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG ISO 9001 : 2008 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGÀNH: KỸ THUẬT MƠI TRƯỜNG Sinh viên : Bùi Thị Hồn Giảng viên hướng dẫn : TS Nguyễn Văn Dưỡng HẢI PHÒNG – 2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG - NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO NHỰA DỄ PHÂN HỦY SINH HỌC ĐI TỪ TINH BỘT SẮN DỰA TRÊN NỀN NHỰA PVA KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY NGÀNH: KỸ THUẬT MƠI TRƯỜNG Sinh viên : Bùi Thị Hồn Giảng viên hướng dẫn : TS Nguyễn Văn Dưỡng HẢI PHÒNG – 2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG - NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Sinh viên: Bùi Thị Hoàn Mã SV: 120906 Lớp: MT1201 Ngành: Kỹ thuật môi trƣờng Tên đề tài: “Nghiên cứu chế tạo nhựa dễ phân hủy sinh học từ tinh bột sắn dựa nhựa PVA” NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI Nội dung yêu cầu cần giải nhiệm vụ đề tài tốt nghiệp (về lý luận, thực tiễn, số liệu cần tính tốn vẽ) Các số liệu cần thiết để thiết kế, tính tốn Địa điểm thực tập tốt nghiệp CÁN BỘ HƯỚNG DẪN ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Người hướng dẫn thứ nhất: Họ tên: Học hàm, học vị: Cơ quan công tác: Nội dung hƣớng dẫn: Người hướng dẫn thứ hai: Họ tên: Học hàm, học vị: Cơ quan công tác: Nội dung hƣớng dẫn: Đề tài tốt nghiệp đƣợc giao ngày tháng năm 2012 Yêu cầu phải hoàn thành xong trƣớc ngày tháng năm 2012 Đã nhận nhiệm vụ ĐTTN Sinh viên Bùi Thị Hoàn Đã giao nhiệm vụ ĐTTN Ngƣời hƣớng dẫn TS Nguyễn Văn Dƣỡng Hải Phòng, ngày tháng năm 2012 HIỆU TRƯỞNG GS.TS.NGƯT Trần Hữu Nghị PHẦN NHẬN XÉT TÓM TẮT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN Tinh thần thái độ sinh viên trình làm đề tài tốt nghiệp: Đánh giá chất lượng khóa luận (so với nội dung yêu cầu đề nhiệm vụ Đ.T T.N mặt lý luận, thực tiễn, tính tốn số liệu…): Cho điểm cán hướng dẫn (ghi số chữ): Hải Phòng, ngày tháng năm 2012 Cán hƣớng dẫn (họ tên chữ ký) TS Nguyễn Văn Dưỡng LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo_TS Nguyễn Văn Dƣỡng, ngƣời dành nhiều thời gian, tâm sức, nhiệt tình hƣớng dẫn, bảo giúp đỡ em suốt q trình thực khóa luận Em xin bày tỏ lịng kính trọng biết ơn chân thành đến thầy, cô giáo khoa Môi trƣờng, BGH nhà trƣờng, ngƣời truyền đạt, cung cấp kiến thức tạo điều kiện thuận lợi cho em học tập suốt năm học vừa qua Cuối em xin đƣợc cảm ơn gia đình, ngƣời thân bè bạn tạo điều kiện, động viên khích lệ em vƣợt qua khó khăn suốt trình học tập nghiên cứu Do hạn chế thời gian, điều kiện nhƣ trình độ hiểu biết nên đề tài nghiên cứu khơng tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận đƣợc sử bảo, đóng góp thầy, để báo cáo đƣợc hồn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Hải Phòng, ngày tháng năm 2012 Sinh viên Bùi Thị Hoàn MỤC LỤC MỞ ĐẦU …………………………………………………………………………… CHƢƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung polyme tự huỷ [9,12] 1.1.1 Khái niệm polyme 1.1.2 Khái niệm polyme tự huỷ 1.2 Lịch sử phát triển polyme tự huỷ [2] 1.3 Sự khác polyme truyền thống polyme dễ phân huỷ sinh học [2]………………… 1.4 Lợi ích polyme tự huỷ [2,12] 1.5 Ứng dụng polyme tự hủy 1.6 Các nghiên cứu lĩnh vực sản xuất polyme tự hủy 12 1.6.1 Giới thiệu polyme phân hủy sinh học 12 1.6.1.1 Phân hủy sinh học 12 1.6.1.2 Chôn ủ 13 1.6.1.3 Thủy phân – phân hủy sinh học quang – phân hủy sinh học 13 1.6.1.4 Bẻ gãy sinh học 14 1.6.2 Năng lƣợng chi phí cho sản xuất polyme tự hủy 14 1.6.3 Quá trình phân huỷ polyme 15 1.6.3.1 Sự phân huỷ polyme 15 1.6.3.2 Tác nhân gây phân hủy sinh học 16 1.6.4 Sự giảm cấp sinh học 17 1.6.5 Các yếu tố ảnh hƣởng tới trình phân hủy sinh học 19 1.6.5.1 Ảnh hƣởng yếu tố môi trƣờng 19 1.6.5.2 Ảnh hƣởng đặc điểm polymer 19 1.7 Một số loại nhựa dùng sản xuất bao bì sinh học 21 1.7.1 Vật liệu PLA 22 1.7.2 Vật liệu PHA 23 1.7.3 Vật liệu TPS 24 1.7.4 Vật liệu từ cellulose 24 1.7.5 Vật liệu từ Chitin Chitosan 25 1.8 Một số loại Polyme tự nhiên phân hủy sinh học 26 1.8.1 Polyxacarit 26 1.8.2 Tinh bột 27 1.8.3 Xenlulozơ 30 1.8.4 Vật liệu PVA 30 1.9 Triển vọng phát triển ngành polyme sinh học 31 CHƢƠNG II: THỰC NGHIỆM 33 2.1 Dụng cụ, hóa chất nguyên liệu 33 2.1.1 Dụng cụ 33 2.1.2 Hóa chất nguyên liệu 33 2.2 Quy trình chế tạo nhựa phân hủy sinh học 33 2.2.1 Thu hồi tinh bột sắn 33 2.2.2 Tổ hợp tinh bột nhựa nhiệt dẻo PVA 34 CHƢƠNG III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 37 3.1 Đánh giá độ bền lý nhựa 37 3.1.1 Độ bền lý nhựa chế tạo từ tinh bột sắn 37 3.1.2 Ảnh hƣởng hàm lƣợng nhựa thông đến độ bền kéo nhựa 39 3.2 Đánh giá khả phân hủy sinh học nhựa 40 KẾT LUẬN 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO 47 PHỤ LỤC 48 DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1 Độ bề lý mẫu nhựa chế tạo từ tinh bột sắn 37 Bảng 3.2 Ảnh hƣởng hàm lƣợng nhựa thông đến độ bền kéo nhựa biến tính tinh bột sắn 39 Bảng 3.3 Sự phân hủy sinh học nhựa môi trƣờng khác sau khoảng thời gian tháng 43 Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại Học Dân Lập Hải Phòng với chất trợ tƣơng hợp nhựa thơng Hỗn hợp đƣợc hịa tan dung mơi glyxerin đƣợc gia nhiệt nhiệt độ thích hợp Việc sử dụng tinh bột sắn - nguồn nguyên liệu sẵn có nƣớc để tham gia vào cấu thành vật liệu tổ hợp vừa làm cho vật liệu có khả dễ phân hủy sinh học, không gây ô nhiễm mơi trƣờng Mặt khác cịn góp phần giúp giảm giá thành sản phẩm tiến hành sản xuất sản phẩm Nhựa sinh học thu đƣợc đƣợc kiểm tra thông qua kết thực nghiệm độ dẻo, khả chịu kéo, chịu xé khả phân hủy sinh học môi trƣờng điều kiện khác Quá trình thực nghiệm đƣợc tiến hành lần lƣợt qua bƣớc sau: - Trộn nhựa PVA, tinh bột sắn nhựa thông với lƣợng định sẵn dung môi Glyxerin - Gia nhiệt hỗn hợp bếp điện đến nhiệt độ khoảng 150- 2000C, cho hạt nhựa đƣợc tan hết (khoảng 20 - 25 phút/ mẫu), trình đun phải liên tục khuấy đảo để hỗn hợp đƣợc trộn đều, tránh trƣờng hợp nhựa bị cháy - Đổ hỗn hợp nhựa lên bìa giấy cứng tán mỏng, làm nguội nhựa khơng khí sau mang nhựa thử độ bền lý nhƣ khả phân hủy sinh học SV: Bùi Thị Hồn - MT1201 Trang 35 Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại Học Dân Lập Hải Phòng Hình 2.3 Một số hình ảnh q trình thí nghiệm SV: Bùi Thị Hồn - MT1201 Trang 36 Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại Học Dân Lập Hải Phòng CHƢƠNG III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Đánh giá độ bền lý nhựa Để có so sánh độ bền nhƣ khả tạo liên kết kết tinh bột sắn nhựa PVA tỉ lệ khối lƣợng khác nhau, lần lƣợt khảo sát độ bền lý nhƣ khả chống thấm nƣớc loại nhựa đƣợc chế tạo từ tinh bột sắn PVA Đối với mẫu nhựa khảo sát, khối lƣợng chất trợ tƣơng hợp đƣợc giữ nguyên, đồng thời tăng dần % khối lƣợng tinh bột giảm dần khối lƣợng nhựa cho tổng khối lƣợng mẫu nhựa 50g Các đặc tính lý nhựa thành phẩm nhƣ: sức bền kéo, tỷ trọng khoảng nhiệt độ nóng chảy đƣợc gửi đo phịng thí nghiệm vật liệu Viện Nano- Compozit- Trƣờng ĐHBK Hà Nội, độ thấm ƣớt đƣợc kiểm tra mắt thƣờng 3.1.1 Độ bền lý nhựa chế tạo từ tinh bột sắn Các đặc tính lý nhựa đƣợc chế tạo từ tinh bột sắn, nhựa PVA đƣợc thể bảng 3.1 hình 3.1 Bảng 3.1 Độ bề lý mẫu nhựa chế tạo từ tinh bột sắn Sức bền % khối lƣợng Sức bền kéo Tỷ trọng tinh bột sắn kéo (Mpa) nhựa PE (g/cm³) (Mpa) Khoảng t0 Khả nóng chảy chống thấm (0C) nƣớc 90% 3.45 22 0.759 121 -130 thấm ƣớt 80% 4.75 22 0.766 132 -148 thấm ƣớt 70% 7.25 22 0.787 146 -152 thấm ƣớt 60% 10.35 22 0.795 149 -154 50% 13.55 22 0.809 153 -161 40% 14.85 22 0.824 164 -172 SV: Bùi Thị Hồn - MT1201 khơng thấm ƣớt không thấm ƣớt không thấm Trang 37 Trường Đại Học Dân Lập Hải Phịng Khóa luận tốt nghiệp ƣớt 30% 15.45 22 0.838 167 -182 20% 16.25 22 0.846 184 -191 10% 17.05 22 0.854 186 -194 không thấm ƣớt không thấm ƣớt không thấm ƣớt Độ bền kéo (Mpa) 25 20 Độ bền kéo nhựa PVA biến tính tinh bột sắn 15 10 Độ bền kéo nhựa PE 0% 20% 40% 60% 80% 100 % % khối lượng tinh bột sắn Hình 3.1 Độ bền lý mẫu nhựa chế tạo từ tinh bột sắn Nhận xét: Kết bảng 3.1 hình 3.1 cho thấy: - Khi hàm lƣợng tinh bột tăng dần (hàm lƣợng nhựa PVA giảm dần) sức bền giảm dần, điều hồn tồn hợp lý với thực tế tinh bột ln có độ dẻo, độ dai so với nhựa - Khi hàm lƣợng tinh bột chiếm từ (60 – 90%), mẫu nhựa thƣờng bị chảy nƣớc cho vào nƣớc cấu trúc nhựa bị phá vỡ nhanh tinh bột chất hút ẩm mạnh bền nƣớc, kết thí nghiệm cho thấy hàm lƣợng tinh bột chiếm 50% nhựa thu đƣợc có cấu trúc bền vững, lúc sức bền kéo tăng lên, bề mặt nhựa bóng mịn SV: Bùi Thị Hoàn - MT1201 Trang 38 Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại Học Dân Lập Hải Phịng - Từ bảng 3.1 hình 3.1 ta thấy đƣợc nhựa đƣợc chế tạo từ tinh bột sắn có khẳ chống thấm ƣớt tƣơng đối cao hàm lƣợng tinh bột sắn 60% nhựa không bị thấm ƣớt 3.1.2 Ảnh hưởng hàm lượng nhựa thông đến độ bền kéo nhựa Để làm tăng thêm độ bền nhƣ đặc tính lý nhựa, khn khổ khóa luận, sử dụng nhựa thông làm chất trợ tƣơng hợp Để tìm đƣợc khối lƣợng chất lƣợng chất trợ tƣơng hợp tối ƣu, khảo sát ảnh hƣởng lƣợng nhựa thông đến độ bền kéo nhựa biến tính tinh bột sắn với điều kiện thí nghiệm: tổng khối lƣợng mẫu nhựa 50g, giữ ( % khối lƣợng tinh bột sắn = % khối lƣợng nhựa PVA) = 40% tăng dần lƣợng chất trợ tƣơng hợp Kết đƣợc thể bảng 3.2 hình 3.2 Bảng 3.2 Ảnh hưởng hàm lượng nhựa thông đến độ bền kéo nhựa biến tính tinh bột sắn Khối lƣợng Sức bền kéo nhựa biến Sức bền kéo nhựa thơng (g) tính tinh bột sắn (Mpa) nhựa PE (Mpa) 15.01 22 1.5 15.35 22 16.04 22 2.5 17.06 22 17.15 22 3.5 17.42 22 17.68 22 4.5 17.81 22 17.97 22 SV: Bùi Thị Hoàn - MT1201 Trang 39 Trường Đại Học Dân Lập Hải Phịng Độ bền kéo (Mpa) Khóa luận tốt nghiệp 25 Độ bền kéo nhựa PVA biến tính tinh bột sắn Độ bền kéo nhựa PE 20 15 10 0 Khối lượng nhựa thơng (g) Hình 3.2 Ảnh hƣởng hàm lƣợng nhựa thông đến độ bền kéo nhựa biến tính tinh bột sắn Nhận xét: Từ bảng 3.2 hình 3.2 cho ta thấy: Khi lƣợng chất trợ tƣơng hợp tăng độ bền kéo nhựa tăng dần, chứng tỏ nhựa thơng có vai trị nhƣ chất kết dính có khả làm bền liên kết tinh bột sắn nhựa PVA Khi hàm lƣợng chất trợ tƣơng hợp ≥ 2,5gam độ bền kéo tăng chậm Vì giá trị 2,5g đƣợc coi giá trị khối lƣợng chất trợ tƣơng hợp tối ƣu 3.2 Đánh giá khả phân hủy sinh học nhựa Ngồi cơng việc xác định đặc tính lý nhựa biến tính chúng tơi cịn xác định khả phân hủy nhựa điều kiện môi trƣờng khác nhƣ: Mơi trƣờng khơng khí khơ Mơi trƣờng đất Môi trƣờng nƣớc thải sinh hoạt Môi trƣờng rác thải sinh hoạt hiếu khí Mơi trƣờng rác thải sinh hoạt kị khí SV: Bùi Thị Hồn - MT1201 Trang 40 Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại Học Dân Lập Hải Phịng Mơi trƣờng rác thải sinh hoạt kị khí có bổ sung chế phẩm sinh học EM giúp tăng cƣờng khả phân hủy Hình 3.3 Theo dõi phân hủy sinh học nhựa điều kiện khơng khí khơ Hình 3.4 Theo dõi phân hủy sinh học nhựa môi trƣờng nƣớc thải sinh hoạt SV: Bùi Thị Hoàn - MT1201 Trang 41 Trường Đại Học Dân Lập Hải Phịng Khóa luận tốt nghiệp Hình 3.5 Theo dõi phân hủy sinh học nhựa môi trƣờng Rác thải điều kiện hiếu khí Hình 3.6 Theo dõi phân hủy sinh học nhựa môi trƣờng đất SV: Bùi Thị Hồn - MT1201 Trang 42 Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại Học Dân Lập Hải Phịng Hình 3.7 Theo dõi phân hủy sinh học nhựa môi trƣờng Rác thải điều kiện kị khí khị khí có bổ sung chế phẩm EM Q trình phân hủy nhựa đƣợc quan sát sau tuần thông qua biến đổi trạng thái, độ bền xuất hiện tƣợng mốc Sau thời gian quan sát tháng , thu đƣợc kết phân hủy sinh học nhựa môi trƣờng nhƣ đƣợc thể bảng 3.5 Bảng 3.3 Sự phân hủy sinh học nhựa môi trường khác sau khoảng thời gian tháng Môi trường Hiện tượng Khơng khí khơ Khơng thay đổi Đất ẩm Mốc Nƣớc thải sinh hoạt Mốc nhiều, bị phân hủy Rác thải (hiếu khí) Mốc nhiều, bị phân hủy Rác thải (kị khí) Mốc nhiều, bị phân hủy Rác thải (kị khí có bổ sung enzym) Mốc nhiều, phân rã gần hoàn toàn SV: Bùi Thị Hồn - MT1201 Trang 43 Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại Học Dân Lập Hải Phòng Dƣới số hình ảnh nhựa bị phân hủy sau thời gian quan sát tháng Hình 3.8 Sự phân hủy sinh học nhựa môi trƣờng Rác thải điều kiện hiếu khí sau thời gian 30 ngày Hình 3.9 Sự phân hủy sinh học nhựa mơi trƣờng Rác thải điều kiện kị khí sau thời gian 30 ngày SV: Bùi Thị Hoàn - MT1201 Trang 44 Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại Học Dân Lập Hải Phịng Hình 3.10 Sự phân hủy sinh học nhựa môi trƣờng rác thải điều kiện kị khí có bỏ sung chế phẩm EM sau thời gian 30 ngày Nhƣ để không khí khơ đất ẩm, kết hợp với nhiệt độ cao môi trƣờng, không thuận lợi cho phát triển vi sinh vật nên nhựa không bị phân hủy bị phân hủy Sau thời gian tháng, trạng thái nhựa gần nhƣ không thay đổi so với vừa đƣợc chế tạo Trong điều kiện thích hợp cho phát triển vi sinh vật nhƣ: nƣớc thải, rác thải, trình phân hủy nhựa diễn nhanh, sau tháng nhựa phân hủy bị mốc nhiều, đặc biệt điều kiện kị khí có bổ sung chế phẩm EM gần nhƣ nhựa bị phân hủy hồn tồn SV: Bùi Thị Hồn - MT1201 Trang 45 Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại Học Dân Lập Hải Phòng KẾT LUẬN Sau thời gian thực đề tài khóa luận: “Nghiên cứu chế tạo nhựa dễ phân hủy sinh học từ tinh bột sắn dựa nhựa PVA” em thu đƣợc số kết luận sau: Đã tổng hợp đƣợc tình hình nghiên cứu, trạng sản xuất sử dụng polyme phân hủy sinh học Việt Nam giới Tìm hiểu đƣợc cách thức để chế tạo nhựa phân hủy sinh học Đã nghiên cứu chế tạo nhựa phân hủy sinh học từ tinh bột sắn dựa nhựa PVA, dung môi glyxerin chất trợ tƣơng hợp nhựa thông Kết nghiên cứu ảnh hƣởng lƣợng chất trợ tƣơng hợp đến độ bền nhựa cho thấy khối lƣợng chất trợ tƣơng hợp = 2,5gam giá trị tối ƣu Đã nghiên cứu khả phân hủy nhựa điều kiện môi trƣờng khác Kết cho thấy mơi trƣờng khơng khí khơ nhựa bền vững, không bị biến đổi, môi trƣờng đất ẩm, nƣớc thải, rác thải nhựa bị phân hủy sinh học với tƣợng mốc Trong đó, đƣợc ủ với rác thải sinh hoạt điều kiện kị khí có bổ sung chế phẩm EM điều kiện tốt cho trình phân hủy nhựa Do thời gian quan sát ngắn nên chƣa theo dõi đƣợc trạng thái nhựa bị phân hủy hoàn toàn nhƣng kết bƣớc đầu cho thấy sản phẩm nhựa tạo thành từ tinh bột sắn dựa nhựa PVA có khả phân hủy sinh học SV: Bùi Thị Hoàn - MT1201 Trang 46 Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại Học Dân Lập Hải Phịng TÀI LIỆU THAM KHẢO PGS.TS Đỗ Đình Rãng (chủ biên) - Hoá Hữu Cơ – Nhà xuất GDnăm 2009 Phạm Ngọc Lân, Vật liệu polyme phân hủy sinh học – Nhà xuất bách khoa HN Clemons CM Wood-Plastic Composites in the United States The interfacing of two industries Forest Products Journal vol 52, No 6, June 2002 Wolcott MP, Englund K A technology Review of Wood-Plastic Composites ASM Handbook, composites, vol 21 2001 http://www.congnghehoahoc.org http:// www.tailieu.vn http://www.ebook.edu.vn http://www.wikipedia.org 10 http://vi.scribd.com 11 http:// www.yeumoitruong.com 12 http:// www.vietnamplasticnews.com SV: Bùi Thị Hồn - MT1201 Trang 47 Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại Học Dân Lập Hải Phòng PHỤ LỤC Một số hình ảnh nhựa đƣợc chế tạo từ tinh bột sắn: SV: Bùi Thị Hoàn - MT1201 Trang 48 Khóa luận tốt nghiệp SV: Bùi Thị Hồn - MT1201 Trường Đại Học Dân Lập Hải Phòng Trang 49 ... nghiên cứu đề tài khóa luận tốt nghiệp: ? ?Nghiên cứu chế tạo nhựa dễ phân hủy sinh học từ tinh bột sắn dựa nhựa PVA? ?? Nhiệm vụ đề tài: - Chế tạo nhựa sinh học từ tinh bột sắn kết hợp với nhựa PVA. .. tinh bột pha trộn lớn Sự pha trộn tinh bột với polyeste no tổng hợp phân hủy sinh học nhƣ PLA PCL đƣợc tập trung nghiên cứu để chế tạo nhựa phân hủy sinh học Nhựa phân hủy sinh học đƣợc chế tạo. .. GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG - NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO NHỰA DỄ PHÂN HỦY SINH HỌC ĐI TỪ TINH BỘT SẮN DỰA TRÊN NỀN NHỰA PVA KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY