(Đồ án tốt nghiệp) tạo hydrogel từ tính hấp thụ phẩm màu hữu cơ methylene blue

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT HĨA HỌC TẠO HYDROGEL TỪ TÍNH HẤP PHỤ PHẨM MÀU HỮU CƠ METHYLENE BLUE GVHD: NGUYỄN THÁI NGỌC UYÊN SVTH: BÙI TRƯỜNG VI MSSV: 15128081 SKL006812 Tp Hồ Chí Minh, tháng 1/2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KĨ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHỐ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC TẠO HYDROGEL TỪ TÍNH HẤP PHỤ PHẨM MÀU HỮU CƠ METHYLENE BLUE MÃ SỐ KHOÁ LUẬN: PO.19.16 SVTH: BÙI TRƯỜNG VI MSSV: 15128081 GVHD: NGUYỄN THÁI NGỌC UYÊN Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2020 LỜI CẢM ƠN Để hồn thành đề tài luận văn tơi nhận giúp đỡ nhiều quý thầy cô trường ĐH Sư Phạm Kĩ Thuật Khoa Học Tự Nhiên bạn bè chuyên ngành Trước tiên em xin gửi lời cảm ơn đến cô Nguyễn Thái Ngọc Uyên người đồng hành với em suốt ba tháng làm luận văn tốt nghiệp, em xin cảm đến thầy Huỳnh Nguyễn Anh Tuấn Nguyễn Thị Mỹ Lệ cung cấp phịng thí nghiệm, dụng cụ, thiết bị cho em dạy số kiến thức bổ sung trình làm luận văn Em xin cảm ơn đến tất giảng viên bạn lớp giảng dạy em suốt bốn năm học đại học Trong suốt q trình khơng thể tránh khỏi thiếu sót bất đồng mong thầy cô bạn thông cảm Cuối chúc quý thầy có năm vui vẽ Xin chân thành cảm ơn BÙI TRƯỜNG VI i LỜI CAM ĐOAN Cơng trình nghiên cứu hồn tồn thực trường ĐH Sư Phạm Kĩ Thuật Tp Hồ Chí Minh Tơi Bùi Trường Vi, xin cam đoan công trình nghiên cứu hướng dẫn TS Nguyễn Thái Ngọc Uyên Các nội dung nghiên cứu, kết đề tài hoàn toàn trung thực chưa cơng bố hình thức Những nội dung phục vụ làm sáng toả luận văn tác giả thu thập ghi rõ nguồn gốc Nếu phát có gian lận tơi hồn tồn chịu trách nhiệm nội dung khố luận Trường ĐH Sư Phạm Kĩ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh liên quan đến tác quyền quyền (nếu có) Tp Hồ Chí Minh, 12 – 2019 Người thực BÙI TRƯỜNG VI ii Mục lục LỜI CẢM ƠN i LỜI CAM ĐOAN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC BẢNG vi DANH MỤC HÌNH vii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT viii PHẦN MỞ ĐẦU ix Tính cấp thiết đề tài ix Mục tiêu ý nghĩa đề tài x Tóm tắt đề tài x CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung sợi thực vật-cây xoan Đào 1.1.2 Hemicellulose 1.1.3 Ligin 1.2 Giới thiệu chung Nanocellulose 1.2.1 Tính chất nanocelluose 1.2.2 Các Phương pháp tạo nanocellulose 1.2.3 Ứng dụng nanocellulose 1.3 Giới thiệu chung Oxit sắt từ Fe304 1.3.1 Cấu trúc tinh thể Fe3O4 1.3.2 Tính chất Fe3O4 1.3.4 Các phương pháp tạo oxit sắt từ Fe3O4 1.3.5 ứng dụng oxit sắt từ iii 1.4 Polymer gốc alginate 1.4.1 Cấu trúc alginate 1.4.2 Tính chất alginate 1.4.3 Ứng dụng alginate 1.5 Tổng quan phẩm màu hữu cơ-methylene blue 10 1.5.1 Tổng quan 10 1.5.2 Ảnh hưởng đến môi trường MB 10 1.5.3 Các nghiên cứu trước việc hấp phụ MB 10 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .11 2.1 Hoá chất thiết bị sử dụng 11 2.1.1 Hoá chất 11 2.1.2 Thiết bị sử dụng 11 2.2 Thực nghiệm 12 2.1.1Tóm tắt quy trình tổng hợp CNC 12 2.2.1 Tổng hợp Nanocellulose 13 2.3 Các phương pháp phân tích 17 2.3.1 Phổ hồng ngoại FTIR 17 2.3.2 Kính hiển vi điện tử quét FE-SEM 18 2.3.3 Từ kế mẫu rung VSM 18 2.3.4 Phân tích nhiệt trọng lượng TGA 18 2.3.5 Phân tích phổ hấp thụ tử ngoại khả kiến UV-VIS 18 2.3.6 Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 19 2.3.7 Nhiễu xạ tia X (XRD) 19 2.4 Nghiên cứu hấp phụ MB 19 2.4.1 Xây dựng đường chuẩn MB 19 iv 2.4.2 Khảo sát ảnh hưởng pH lên trình hấp phụ MB 19 2.4.3 So sánh hiệu hấp phụ giữ chất hạt gel alginate từ MNPCNC 20 2.4.4 Ảnh hưởng khối lượng MNPCNC đến khả hấp phụ MB theo thời gian 20 2.4.5 Khả tái sử dụng MNPCNC 20 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 21 3.1 Đánh giá giai đoạn tạo CNC 21 3.1.1 Tiền xử lý NaOH 21 3.1.2 Tẩy trắng dung dịchNaClO 21 3.1.3 Thuỷ phân dung dịch H2SO4 22 3.1.4 Đánh giá sản phẩm thu sau trình ly tâm siêu âm 24 3.2 Phân tích sản phẩm CNC 25 3.2.1 Phân tích phổ FTIR 25 3.2.2 Phân tích cấu trúc thông qua phương pháp nhiễu xạ tia X XRD 28 3.2.3 Phân tích nhiệt trọng lượng TGA 29 3.2.4 Phân tích nhiệt vi sai DSC 30 3.2.5 Ảnh hiển vi diện tử truyền qua TEM 31 3.2 Đánh sản phẩm hạt hydrogel từ tính 32 3.2.1 Phân tích FTIR 32 3.2.2 Phân tích TGA 34 3.2.3 Kết đo từ kế mẫu rung VSM 35 3.2.4 Phân tích phổ hấp thụ tử ngoại khả kiến UV-VIS 36 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 44 v DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1 Thông số tẩy trắng NaClO……………………………………………… 13 Bảng 2 Thông số khảo sát acid sulfuric………………………………………… 14 Bảng Kết tẩy trắng NaClO……………………………………………… 22 Bảng Kết xử lý acid sulfuric……………………………………………… 23 Bảng 3 Mũi cấu thành nhóm chức phân tích FTIR CNC………………… 26 Bảng Thơng số phân tích TGA-CNC……………………………………………… 29 Bảng Mũi cấu thành nhóm chức phân tích FTIR MNPCNC……………… 33 Bảng Thông số TGA-MNPCNC ……………………………………………………34 Bảng Kết khảo VSM hạt mẫu………………………………………… 36 Bảng Khảo sát đường chuẩn MB ……………………………………………………37 Bảng Khảo sát ảnh hưởng pH đến trình hấp phụ MB…………………… 38 Bảng 3.10 So sánh khả hấp phụ MB mẫu……………………………… 39 Bảng 3.11 Ảnh hưởng khối lượng đến trình hấp MB MNPCNC…………… 41 Bảng 3.12 Khảo sát khả tái sử dụng MNPCNC…………………………… 42 vi DANH MỤC HÌNH Hình 1 Cơng thức cấu tạo cellulose Hình Cơng thức cấu tạo hemicellulose Hình Công thức dạng cấu tạo lignin Hình Cơ chế chống thấm khí CNC Hình Quá trình oxy hố CMC TEMPO Hình Đường cong từ hoá vật liệu siêu thuận từ Hình Cơ chế hình thành hạt nano Hình Polymer gốc alginate Hình Cách tạo gel alginate Hình Hình ảnh tổng hợp hydrogel từ tính 17 Hình Bột gỗ thơ sau q trình xử lý xút, ban đầu (trái), lúc sau (phải) .21 Hình Mẫu tối ưu JV6-4 22 Hình 3 Ảnh SEM huyền phù CNC mẫu AS60-45 (a,b) AS65-45 (c,d) 23 Hình Mẫu CNC sau trình ly tâm siêu âm 24 Hình Các mũi FTIR bột gỗ thô, JV6-4, CNC 25 Hình Giản đổ XRD CNC bột gỗ thô 28 Hình Giản đồ TGA bột gỗ thô, JV6-4 CNC 30 Hình Đường cong DSC mẫu bột gỗ thơ, JV6-4 CNC 30 Hình Ảnh TEM mẫu CNC 31 Hình 10 Đồ thị FTIR CA, CACNC, T30, MNP, MNPCNC .34 Hình 3.11 Giản đồ TGA T30 MNP MNPCNC 35 Hình 3.12 Đường cong từ hố T30, MNP, MNPCNC 35 Hình 3.13 Đồ thị đường chường chuẩn MB 37 Hình 14 Đồ thị liên hệ phần trăm hấp phụ theo thời gian pH khác 38 Hình 15 Phần trăm hấp phụ T30, CA, MNP theo thời gian pH 40 Hình 16 Đồ thị ảnh hưởng khối lượng mẫu MNPCNC5 theo thời gian 42 Hình 17 Đồ thị khả nâng tái sử dụng MNP, MNPCNC5, T30 43 vii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Tên viết tắt CA CACNC CMF CNF CNC DSC MNP MNPCNC SEM TEM T30 TGA X-ray Diffraction rpm 3.2.4.2 Kết khảo sát pH Bảng 3.9 Khảo sát ảnh hưởng pH đến trình hấp phụ MB Thời gian (phút) 10 20 30 60 120 180 210 Hình 14 Đồ thị liên hệ phần trăm hấp phụ theo thời gian pH khác 38 Dựa vào đồ thị bảng số liệu ta thấy: giá trị pH khác nhau, MNP hấp phụ MB tăng theo thời gian đạt hiệu suất 61.67% pH ứng với 210 phút Tại pH 12, giai đoạn chưa thêm MNP, MB bị hấp phụ phần (hiệu suất 15.33%) nguyên nhân MB mang điện tích dương, OH- tương tác với MB Tại pH môi trường acid mạnh, lượng MB bị hấp phụ giảm rõ rệt, nguyên nhân proton hố nhóm amin bậc ba phân tử MB, mặt khác, môi trường acid mạnh làm tăng khả cạnh tranh cation chất nhuộm MB H + lên vị trí COO- phân tử alginate, từ giảm khả hấp phụ MB MNP MNPCNC hấp phụ MB chủ yếu dựa vào tính chất hạt nano sắt từ phân bố polymer pH cho môi trường tối ưu để hấp phụ MB Kết phù hợp với tác giả Vincent Rocher cộng nghiên cứu loại bỏ MB hạt alginate từ công bố 2001 [16] 3.2.4.3 So sánh khả nẳng hấp phụ CA, CACNC, MNP, MNPCNC T30 Bảng 3.10 So sánh khả hấp phụ MB mẫu Mẩu CA CACNC1 CACNC3 CACNC5 MNP MNPCNC1 MNPCNC3 MNPCNC5 T30 39 Dựa vào bảng số liệu ta thấy rằng: Tất mẫu có độ hấp phụ MB tăng theo thời gian pH Hạt nano sắt từ trần (T30) có độ hấp phụ MB thấp so với mẫu lại (180 phút, hấp phụ 17.56%), MNPCNC5 có độ hấp phụ cao (180 phút hấp phụ 65.22%) Việc bổ sung CNC vào mẫu làm tăng khả hấp phụ MB (do CNC có diện tích bề mặt lớn) Khả hấp phụ MB tỷ lệ thuận với tỷ lệ độn CNC Tuy nhiên chênh lệch khả hấp phụ MB có mặt CNC khơng lớn (tại 180 MNPCNC1 60.96%, MNPCNC3 62.17%, MNPCNC5 65.22%) Hình 15 Phần trăm hấp phụ T30, CA, MNP theo thời gian pH 40 3.2.4.4 Ảnh hưởng khối lượng MNPCNC Bảng 3.11 Ảnh hưởng khối lượng đến trình hấp phụ MB MNPCNC Thời gian (0.1g) 10 20 30 60 120 180 Thông qua bảng số liệu ta có nhận xét sau: Xét tất mẫu tăng thời gian hấp phụ MB số mẫu có xu hướng giảm khả hấp phụ (MNPCNC5 1.5g 30 phút hấp phụ 51.81% giảm xuống 41.75% 180 phút), từ suy khối lượng có ảnh hưởng đến khả hấp phụ MB MNPCNC Ở khoảng thời gian ngắn, khả hấp phụ MNPCNC tỷ lệ với khối lượng, kéo dài thời gian, MNPCNC có khối lượng 0.1g đạt hiệu suất cao (65.22%) Xét thực tế cần đến 180 phút để có hiệu suất tối ưu với mẫu có khối lượng 1.5g cần 30 phút, hiệu suất xấp xĩ tối ưu, nên chọn khối lượng khảo sát khả tái sử dụng bên 41 Hình 16 Đồ thị ảnh hưởng khối lượng mẫu MNPCNC5 theo thời gian 3.2.4.5 Khảo sát khả tái sử dụng MNPCNC Bảng 3.12 Khảo sát khả tái sử dụng MNPCNC Số lần hấp phụ Lần Lần Lần Lần Lần 42 Ta thấy: mẫu MNPCNC có khả tái sử dụng cao nhất, mẫu MNP có khả tái sử dụng cao thấp MNPCNC, mẫu T30 có khả tái sử dụng thấp Hình 17 Đồ thị khả tái sử dụng MNP, MNPCNC5, T30 43 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Thơng qua q trình tiền xử lý dung dịch NaOH 2% 72 để loại bỏ thành phần Lignin, hemicellulose, tẩy trắng dung dịch NaClO 6% lần, lần để loại bỏ thêm thành phần khơng phải cellulose giảm kích thước mẫu, thuỷ phân acid sulfuric 60 % mẫu JV6-4 45oC tổng hợp thành công CNC từ nguyên liệu bột gỗ Xoan Đào Bằng phương pháp đồng kết tủa với tỷ lệ mol Fe3+/Fe2+ (đã bị oxy hoá phần) 2, dùng CNC vừa tổng hợp làm chất độn cho MNP với tỷ lệ 1, 3, %, tổng hợp thành công MNPCNC Thông qua khảo sát khả hấp phụ MB MNPCNC ta thấy rằng: MNPCNC hấp phụ MB cao MNP MNPCNC5 hấp phụ MB cao MNPCNC3, MNPCNC1 Thơng qua kiện kết luận CNC làm tăng khả hấp phụ MB cho vật liệu Kiến nghị Tăng tỷ lệ chất độn CNC tiếp tục khảo sát khả hấp phụ MB, tới tỷ lệ độn khả hấp phụ MNPCNC MNP Thay Fe3+ Fe2+ thực tiếp tục phương pháp đồng kết tủa khảo sát khả hấp phụ MB Khảo sát hấp phụ MB nhiệt độ âm độ C Khảo sát khả hấp phụ MB với nước thải thật, nước thải chứa kim loại nặng 44 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Updegraff D.M, “Semimicro determination of cellulose in biological materials,” Analytical Biochemistry, vol 32, pp 420-424, 1969 [2] J Scurlock, D Dayton, B J B Hames, and bioenergy, "Bamboo: an overlooked biomass resource," Biomass and Bioenergy, vol 19, pp 229-244, 2000 [3] Peng BL, Dhar N, Liu HL, Tam KC, "Chemistry and applications of nanocrystalline cellulose and its derivatives, A nanotechnology perspective," The Canadian Journal of Chemical Engineering, vol 89, pp 1191-1206, 2011 [4] J P Lagerwall, C Schütz, M Salajkova, J Noh, J H Park, G Scalia, et al., “Cellulose nanocrystal-based materials: from liquid crystal self-assembly and glass formation to multifunctional thin films,” NPG Asia Materials, vol 6, p e80, 2014 [5] Nidhi Pal, Somesh Banerjee, Partha Roy, Kaushik Pal, “Reduced graphene oxide and PEG-grafted TEMPO-oxidized cellulose nanocrystal reinforced poly-lactic acid nanocomposite film for biomedical application,” Materials Science & Engineering, vol 21, pp 1-2, 2019 [6] Nguyễn Anh Tiến, Dương Thu Đông, Phạm Quỳnh Lan Phương, Nguyễn Thị Minh Thuỷ, “Nghiên cứu tổng hợp vật liệu YFeO kích thước nanomet phương pháp đồng kết tủa,” tạp chí khoa học ĐHSP TPHCM, pp 47-48, 2016 [7] Anzelle Delport, Brian H Harvey, Anél Petzer, Jacobus P Petzer, “The monoamine oxidase inhibition properties of selected structural analogues of methylene blue”, Toxicology and Applied Pharmacology, vol 43, pp 1-8, 2017 [8] Shen Tao Yang,” Graphene oxide material used to remove methylene blue in water.” Journal of Environmental Chemical Engineering, 2011 [9] Ntaote David Shooto, Cynthia Sibongile Nkutha, Nokubongwa Ruth Guilande, Eliazer Bobby Naidoo, “Pristine and modified mucuna beans adsorptive studies of toxic lead ions and methylene blue dye from aqueous solution”, South African Journal of Chemical Engineering, 2019 [10] Ntaote David Shooto, Patience Mapule Thabede, Blessing Bhila, Harry Moloto, Eliazer Bobby Naidoo, “Lead ions and methylene blue dye removal from aqueous solution by Mucuna beans (Velvet beans) adsorbents”, Journal of Environmental Chemical Engineering, 2019 [11] Seyyed Mohammad Tabrizi Hafez Moghaddas, Behrouz Elahi, Majid Darroudi, Vahid Javanbakht, “Green synthesis of hexagonal-shaped zinc oxide nanosheets using mucilage from flaxseed for removal of methylene blue from aqueous solution”, Journal of Molecular Liquids, 2019 [12] J I Morán, V A Alvarez, V P Cyras, and A J C Vázquez, "Extraction of cellulose and preparation of nanocellulose from sisal fibers," Cellulose, vol 15, pp 149-159, 2008 [13] Lê Thị Hồng Diễm"Chế tạo hạt nano Fe3O4 khảo sát số tính chất đặt trưng," Luận văn tốt nghiệp, Trường ĐH Khoa Học Tự Nhiên Tp Hồ Chí Minh, Tp Hồ Chí Minh, 2009 [14] J Vartiainen, T Pöhler, K Sirola, L Pylkkänen, H Alenius, J Hokkinen, et al “Health and environmental safety aspects of friction grinding and spray drying of microfibrillated cellulose” Cellulose, vol 18, pp 775-786, 2011 [15] H Lu, Y Gui, L Zheng, and X J F R I Liu, “Morphological, crystalline, thermal and physicochemical properties of cellulose nanocrystals obtained from sweet potato residue” Food Research International, vol 50, pp 121-128, 2013 [16] Vincent Rocher, et al Removal of organic dyes by magnetic alginate beads, Water research, 42, pp.1290-1298, 2008 ...BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KĨ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHỐ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC TẠO HYDROGEL TỪ TÍNH HẤP PHỤ PHẨM MÀU HỮU CƠ METHYLENE BLUE MÃ SỐ KHOÁ LUẬN: PO.19.16... momen từ song song với Độ kháng từ (Hc) giá trị từ trường cần đặt vào để triệt tiêu từ độ cảm ứng từ mẫu Độ từ dư (Mr) giá trị từ độ giữ ngắt từ trường Từ độ rút gọn (Mr/Ms): tỷ số từ dư từ độ... với ion đa hoá trị để tạo thành hydrogel sử dụng để làm bề mặt phân tán nano oxit sắt để tránh kết tụ nano oxit sắt, vật liệu gọi hydrogel từ tính Hydrogel từ tính tổng hợp từ phương pháp đồng