Hiện nay trên thế giới người ta đã và đang thử nghiệm tác dụng xử lí bụi của polyacrylamit, và ở Việt Nam trong Viện Hoá học cũng đã có nhiều công trình đề tài nghiên cứu ứng dụng quan trọng này của (PAM).
Sở dĩ PAM có ứng dụng xử lí bụi đó là do các nguyên nhân sau:
* Thứ nhất: Khi PAM được sử dụng dưới dạng dung dịch thì tác dụng của nó giống như tác dụng của nước đó là giữ ẩm đất.
* Thứ hai: Do có cấu trúc phân tử lớn, dung dịch lại có độ nhớt cao, nên khi đưa xuống đất nó sẽ làm tăng độ bền của đất vì nó làm tăng kích thước của đoàn lạp trong đất.
* Thứ ba: chế phẩm PAM được dùng thường là dưới dạng các anion, nó có thể tương tác tĩnh điện với các hạt keo trong đất, dễ bị hấp phụ trong đất, do đó làm bền đoàn lạp trong đất.
Phần 2 Thực nghiệm 2.1. Trùng hợp acrylamit 2.1.1. Dụng cụ và hoá chất 2.1.1.1. Dụng cụ: Cốc dung tích 250 ml; 300 ml Pipet: 5 ml; 10 ml; 25 ml
Phễu lọc, phễu thủy tinh, đũa thủy tinh Nhớt kế Ubbelohde
Cân phân tích Cân kỹ thuật Tủ sấy
Bể điều nhiệt loại 16 lít
Bình phản ứng Inox dung tích 2 lít, đường kính bình phản ứng d=10cm Thiết bị khuấy loại ZJ4113, cánh khuấy có đường kính d=6cm, tốc độ khuấy 915 vòng/phút
ống sục khí nitơ
2.1.1.2. Hoá chất:
Acrylamit (monome), (thực tế trong các thí nghiệm đã làm là dưới dạng tinh thể mịn); Benzoylperoxit (BP), 99%; NaNO3 1N; Etanol; Dầu diezen; Nước cất; Máy đo pH; Sorbitan monooleat (Span 80-SMO); KBr; KBrO3 và HCl đặc
2.1.2. Tổng hợp polyacrylamit (theo phương pháp trùng hợp nhũ tương ngược) ngược)
Cân chính xác lượng pha dầu và lượng pha nước theo tỷ lệ 2/3. Trong đó, lấy pha dầu gồm dầu diezen có chứa chất nhũ hóa span 80 (SMO), đồng thời cùng với chất khơi mào benzoylperoxit (BP) cho vào cốc 250ml sau đó cho vào bình phản ứng, bật thiết bị khuấy khoảng 10 phút để phân tán đồng đều chất nhũ hóa.
Pha nước có chứa nước và monome acrylamit được đong vào cốc 250ml, dùng đũa thuỷ tinh khuấy cho tan hết acrylamit (nếu dùng keo bảo vệ gelatin thì phải tiến hành hoà tan gelatin trong nước rồi mới cân dung dịch tạo thành). Đổ từ từ dung dịch này vào bình phản ứng, khuấy khoảng 10 phút rồi bật công tắc để điều nhiệt đến nhiệt độ cần cho phản ứng rồi bắt đầu tính thời gian phản ứng.
Về mặt định lượng: lượng chất nhũ hoá (Span80) được tính theo % so với khối lượng pha dầu. Chất khơi mào benzoylperoxit (BP) được tính theo % so với lượng monome. Lượng monome được tính theo % khối lượng pha nước.
Các mẫu polyme được tổng hợp với sự thay đổi thành phần như sau:
- Nhiệt độ: Trùng hợp acrylamit với 1% benzonylperoxit, 10%
monome, 10% Span 80 trong 100 phút ở các nhiệt độ khác nhau: 60, 66 và 70C;
- Chất khơi mào: Trùng hợp acrylamit trong 100 phút ở 600
C, 10% monome, 9% Span 80 với hàm lượng BP: 0.6, 0.8, 1, 1.2 và 1.4%.
- Monome: Trùng hợp acrylamit với 60 g pha dầu, 90 g pha nước,
1.2% BP, 10% Span 80, ở70oC, hàm lượng monome khác nhau từ 8% đến 10% so với khối lượng của pha nước.
- Chất nhũ hóa: Trùng hợp acrylamit với 1,2% BP, 10% monome, nhiệt độ 750C, thời gian 100 phút, nồng độ chất nhũ hóa thay đổi 8; 9 và 10%.
2.1.3. Tách hỗn hợp sản phẩm
Quá trình tách polyme ra khỏi monome dư dựa trên cơ sở khác nhau về độ tan. Phương pháp thường dùng là kết tủa. Hỗn hợp sản phẩm phản ứng có màu trắng đục sau khi để nguội xuống nhiệt độ phòng, dùng etanol để kết tủa polyme tạo thành. Lọc lấy kết tủa này sau đó rửa lại với khoảng 100ml etanol để đảm bảo loại bỏ hoàn toàn monome dư. Kết tủa được sấy trong tủ sấy ở nhiệt độ 650C đến khối lượng không đổi. Sản phẩm sau khi sấy mang đi phân tích: xác định khối lượng phân tử bằng phương pháp đo độ nhớt, chụp phổ hồng ngoại, phân tích nhiệt.
2.1.4. Phân tích sản phẩm
2.1.4.1. Xác định độ chuyển hoá bằng phương pháp chuẩn độ nối đôi. * Cơ sở lý thuyết * Cơ sở lý thuyết Phản ứng tạo dung dịch Br2 : 10KBr + KBr03 + 12HCl 6Br2 + 12KCl + 6H20 (37) Phản ứng ở nối đôi: CH=CH + Br2 CH-CH Br Br Phản ứng chuẩn độ : Br2 + 2KI 2KBr + I 2 (39) I2 + 2Na2S203 2NaI + Na2S406 (40)
* Cách tiến hành xác định độ chuyển hoá
Hoà tan 9.9167 gam KBr và 2.7835 gam KBrO3 trong 1 lít nước. Tại mỗi thời điểm lấy chích xác 10 ml dung dịch phản ứng vào cốc dung tích 250ml thêm 50ml etanol phá nhũ (kết tủa polyme). Sau khi có hiện tượng tách pha chiết lấy phần nước chứa monome vào bình nón cổ nhám. Thêm vào
(38 )
dung dịch trên 5 ml HCl đặc. Đậy nút, lắc 30 phút, để yên 15 phút, cho vào 2 gam KI. Lắc, để yên 2 phút. Chuẩn độ I2 tự do bằng Na2S2O3 0,1N với chỉ thị hồ tinh bột.
2.1.4.2. Xác định trọng lượng phân tử polyme bằng phương pháp đo độ nhớt * Độ nhớt đặc trưng được xác định bằng thực nghiệm như sau:
Pha một loạt dung dịch chất polyme có nồng độ phần trăm từ bé cho đến lớn (nồng độ cao nhất không quá 1g/100 ml). Vì độ nhớt của polyacrylamit tương đối lớn nên ta pha nồng độ cao nhất là 0.2 %. Từ nồng độ đầu này ta pha thành các mẫu dung dịch có nồng độ C1, C2, C3, C4, C5 nhỏ hơn 0.2%. Sau khi pha được các mẫu ta tiến hành đo thời gian của các dung dịch chảy qua mao quản của nhớt kế tương đối của các nồng độ C1, C2, C3, C4, C5 là t1, t2, t3, t4, t5 ta xác định được độ nhớt riêng của mỗi dung dịch rồi tính độ nhớt rút gọn cho mỗi dung dịch, rồi xây dựng đồ thị. Đoạn thẳng mà đường biểu diễn cắt trục tung sẽ cho ta độ nhớt đặc trưng.
C
C g/100 ml
Hình 1: Đồ thị của độ nhớt đặc trưng theo nồng độ.
Từ phương trình Mark – Howink xác định trọng lượng phân tử polyme. Trong nước ở 25C: [] = 6,8 . 10-4 (Mv)0,66 (dl/g) Trong NaNO3 1 N ở 30C: [] = 3,73 . 10-4 (Mv)0,66 (dl/g) Trong NaCl 0,5 M ở 30C: [] = 7,19. 10-5 (Mv)0,77 (dl/g)
2.1.4.3. Phân tích nhiệt TGA
Là quá trình khảo sát sự thay đổi trọng lượng của mẫu khi thực hiện một chương trình thay đổi nhiệt độ. Quá trình khảo sát gồm quá trình giải phóng hoặc hấp thụ khi đo những nguyên nhân lý hoá nào đó trong khi thực hiện chương trình nhiệt độ. Việc đo mẫu được tiến hành trên máy Shimadzu TGA-50H tại phòng phân tích nhiệt - Viện Hoá học – Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
2.1.4.4. Phổ hồng ngoại
Tiến hành đo phổ hồng ngoại của các polyme trong vùng 4000- 500cm-1 trên máy IMPACT 400-Nicolet tại phòng hồng ngoại - Viện Hoá học- Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
2.2. Thử khả năng chống bụi của polyacrylamit (PAM)
2.2.1. Xác định thành phần đoàn lạp của đất
Trong các thí nghiệm này, chúng tôi đã lấy mẫu đất ở Phú Thọ để phân tích tác dụng khác nhau của dung dịch polymeacrylamit (dung dịch chất chống bụi) và nước lên sự phân chia tỷ lệ của các đoàn lạp trong đất (thí nghiệm được tiến hành theo phương pháp sàng ướt).
2.2.1.1. Chuẩn bị mẫu
Đất được mang về, thông xử lí như: phơi khô, làm sạch, nghiền nhỏ, cuối cùng là đem sấy khô rồi đựng trong hộp kín. Pha 500ml dung dich chất chống bụi theo nồng độ là 0.01% và 0.05% rồi cho lên máy khuấy từ khuấy khoảng 30 phút cho polyme tan hết trong nước. Các sàng được rửa sạch, và đem sấy khô (bao gồm các loại có kích thước từ 0.125mm đến 0.9mm)
2.2.1.2. Cách tiến hành
Đầu tiên cân khối lượng của các sàng (có ghi rõ cho từng loại), sau sắp xếp các sàng từ trên xuống dưới tương ứng với kích thước giảm dần. Trộn đều 50ml dung dịch chất chống bụi với 50g đất. Đổ lượng đất đã được xử lí bằng
dung dịch chất chống bụi lên sàng trên cùng. Cho toàn bộ sàng xuống xô nước sạch (sao cho ngập hết đất), rồi dùng hai tay nhấc lên nhấc xuống với một số lần qui định (10 lần chẳng hạn).
Đem các sàng đi sấy khô rồi cân lại khối lượng từng sàng một, lấy kết quả trừ đi khối lượng ban đầu của mỗi sàng ta sẽ thu được khối lượng các đoàn lạp của đất theo các kích thước trên mỗi sàng từ đó suy ra phần trăm tỷ lệ các đoàn lạp. Tiến hành tương tự như thế 3 hoặc 4 lần để thu được các số liệu ổn định.
2.2.2. Đo độ mài mòn của đất
Đất Phú Thọ được sấy khô sau đó mang đi nghiền mịn bằng máy nghiền bi. Cân đất đã nghiền mịn khoảng 100g vào đĩa, tiếp theo cân lượng polyacrylamit (PAM) theo lượng cần sử dụng, trộn đều PAM và đất (trộn khô). Sau đó dùng pipet đong 50 ml H2O (có thể là dd CaCl2…) tưới đều lên mẫu đã được trộn khô. Đợi cho mẫu có độ khô cần thiết thì dùng khuôn sắt đúc mẫu đất thành hình hộp chữ nhật, đợi cho mẫu khô (có thể sấy ở nhiệt độ thấp khoảng 45-80oC để giảm thời gian bay hơi). Các mẫu khi đã khô mang đi đo độ mài mòn, quá trình mài mòn có thời gian là 1giờ, và đo hai mẫu cùng một lúc. Sau 1 giờ mang mẫu đi cân và xác định tỷ lệ đất bị mài mòn.
Khi đo độ mài mòn, các mẫu được đo dùng giấy ráp điều chỉnh đến khối lượng bằng nhau để khi đặt lên đo chúng có trọng lực bằng nhau và diện tích tiếp xúc như nhau kết quả đo sẽ được chính xác.
2.2.3. Đo tốc độ bay hơi nước của đất
Trong thí nghiệm này, chúng tôi xác định tốc độ bay hơi nước có trong đất thông qua việc xác định hàm lượng nước bay hơi. Thực nghiêm tiến hành trên 4 mẫu đất giống nhau nhưng khác nhau về ký hiệu (tương ứng với thành phần xử lí), gồm 4 mẫu đất: mẫu N (xử lí bằng nước), các mẫu xử lí bằng
dung dịch polyacrylamit tương ứng với các nồng độ 0.01, 0.005 và 0.03% có ký hiệu là: mẫu VL10, mẫu VL5, mẫu VL3.
Lấy mỗi mẫu 15 gam đất (đã được xử lí sạch và dưới dạng mịn), sau đó trộn đều vào mỗi mẫu đất tương ứng với 20ml nước (với mẫu N) và 20ml mỗi loại dung dịch polyme tương ứng với ký hiệu trên mẫu đất.
Cho đất đã được xử lí ở trên vào các đĩa sạch, đem cân khối lượng cả đĩa và đất.
Cuối cùng là đem các đĩa đất đó để ở điều kiện thường và theo dõi cân các khối lượng từng đĩa theo mỗi ngày. Theo dõi tổng thể trong 8 ngày, để tổng hợp số liệu.
Phần 3
Kết quả 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 của nhiệt độ
Điều kiện thí nghiệm như sau: khối lượng dầu 60g có 6g chất nhũ hoá (Span80), nước 90g, khối lượng monome acrylamit 9 g; 0,09g benzoyl peroxit (BP); chúng ta nghiên cứu các nhiệt độ thay đổi: 60, 66, và 700C. Kết quả thu được thể hiện ở hình 2:
0 20 40 60 80 100 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Thêi gian ( phót) §é c h u yÓ n h ã a (% ) 70oC 66 oC 60 oC
Hình 2: ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình trùng hợp polyacrylamit.
Qua hình 2 ta thấy khi nhiệt độ tăng thì tốc độ phản ứng tăng nhanh ở giai đoạn đầu (15 phút đầu) sau đó tăng chậm dần cho đến giá trị không đổi. Điều này được giải thích như sau: tăng nhiệt độ làm tăng tất cả các phản ứng hóa học ở tất cả các giai đoạn dẫn đến tăng tốc độ hình thành các trung tâm hoạt động và kết quả là tăng tốc độ chuyển hóa của monome thành polyme.
Tại các nhiệt độ đó chúng tôi tiến hành xác định trọng lượng phân tử trung bình của polyme tạo thành bằng phương pháp đo độ nhớt. Kết quả thu được ở bảng sau:
Bảng 2: ảnh hưởng của nhiệt độ đến trọng lượng phân tử trung bình của polyme
Nhiệt độ(0
C) 60 66 70
M.10-6(g/mol) 1.62 1.51 0.9
Từ bảng 3 nhận thấy khi tăng nhiệt độ thì trọng lượng phân tử giảm, vì khi tăng nhiệt độ làm tăng tốc độ của tất cả các phản ứng trong đó có phản ứng ngắt mạch, do nó làm tăng các hạt hoạt động. Các kết quả tương tự đối với trùng hợp trong dung dịch. Sở dĩ chúng tôi không tiến hành khảo sát ở các nhiệt độ cao hơn đó là do nhũ tương không ổn định ở nhiệt độ này và khi đó thuận lợi cho phản ứng phân hủy gốc benzonyloxy thành gốc phenyl làm giảm mạnh hoạt tính gốc.
3.1.1.2. ảnh hưởng của hàm lượng monome
Tại các hàm lượng monome tiến hành xác định trọng lượng phân tử trung bình của polyme bằng cách đo độ nhớt thu được kết quả ở (bảng 5).
Bảng 3: ảnh hưởng của hàm lượng monome đến KLPT trung bình của
polyme. Hàm lượng monome
(%) 8 8.5 9 9.5 10
M.10-6 (g/mol) 0.15 0.44 0.91 1.01 1.32
Dựa trên các kết quả thu được có thể nhận thấy khi tăng nồng độ monome trong giới hạn hiệu quả thì khối lượng phân tử của polyacrylamit đều tăng, đó là do khi tăng nồng độ monome sẽ làm tăng khả năng tiếp xúc với gốc khơi mào do đó tăng độ trùng hợp.
3.1.1.3. ảnh hưởng của nồng độ chất khơi mào (BP)
Với cách làm như trên, chúng tôi xét ảnh hưởng của nồng độ chất khơi mào đến trọng lượng phân tử trung bình của polyme bằng phương pháp đo độ nhớt, thu được kết quả ở bảng sau:
Bảng 4: ảnh hưởng của nồng độ chất khơi mào đến trọng lượng phân tử trung
bình của polyme.
Lượng BP (%) 0.6 0.8 1 1.2 1.4
M.10-6 g/mol 1.12 1.3 1.51 1.62 1.55
Dựa vào các số liệu thu được ta có thể nhận thấy khi tăng hàm lượng xúc tác từ 0.6% đến 1.2% trọng lượng phân tử trung bình polyme tăng. Sau đó giảm từ 1.2% đến 1.4%. Vì khi tăng nồng độ monome trong khoảng thích hợp thì số lượng gốc tự do tăng làm tăng khả năng trùng hợp.Vượt quá giới hạn xẽ làm tăng phản ứng ngắt mạch làm trọng lượng phân tử giảm.
3.1.1.4. ảnh hưởng của nồng độ chất nhũ hóa (SMO)
Đánh giá ảnh hưởng của nồng độ chất nhũ hoá đến trọng lượng phân tử trung bình của polyme chúng tôi tiến hành thí nghiệm với 40g pha dầu, 60g pha nước, 1.2% chất khơi mào, nhiệt độ trùng hợp 750C, hàm lượng monome là 10%. Khảo sát nồng độ chất nhũ hóa thay đổi từ 8% đến 10%, được kết quả sau:
Bảng 5: ảnh hưởng của nồng độ chất nhũ hóa đến KLPT trung bình của
polyme
Nồng độ chất nhũ hóa (%) 8 9 10
M.10-6 (g/mol) 1,58 1,62 1,68
Từ bảng ta thấy khi tăng nồng độ chất nhũ hóa từ 8% đến 10% trọng lượng phân tử trung bình của polyme tăng, kết quả này phù hợp với thực nghiệm.
3.1.2. Phân tích sản phẩm
3.1.2.1. Phân tích nhiệt
Đánh giá độ bền nhiệt của sản phẩm, chúng tôi dùng phương pháp phân tích nhiệt TGA để khảo sát sự thay đổi mẫu theo nhiệt độ.
PAA: Tại 130C là quá trình mất nước và khối lượng mất là 16,83%. Tại 311C là quá trình mất amoniac và khối lượng mất là 35,86%. Tại 600C là quá trình mất các khí khác khi phân huỷ polyacrylamit và khối lượng mất là 81,72%.
Phân tích phổ IR của polyacrylamit ta có: Đỉnh 1689 cm-1: C=O trong amit. 1608 cm-1: NH2
1454 cm-1: C–H (–CH2, –CH–) ở đây: : dao động biến dạng
: dao động hoá trị.
Nhận thấy, trên phổ hồng ngoại xuất hiện đỉnh 2945 cm-1, đây là đỉnh đặc trưng cho dao động biến dạng của CH2-CH-, mặt khác trên phổ không thấy xuất hiện đỉnh 1600 cm-1
(đây là đỉnh đặc trưng cho C=C), chứng tỏ sản phẩm đã được trùng hợp.
3.2. Tác dụng chống bụi của polyacrylamit
3.2.1. Thành phần đoàn lạp của đất
Với cách tiến hành như đã nêu ở trên, chúng tôi đã thu được các kết quả được thể hiện qua bảng sau.
Bảng 6: Tác dụng của dung dịch chất chống bụi và nước tới thành phần
đoàn lạp của đất Thành phần (mm) Dung dịch (PAM) (0,01%) Dung dịch (PAM) (0,05%) Nước Hàm lượng các đoàn lạp >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