phổ hồng ngoại (IR) [9]
2.2.5.1. Sơ lược về cơ sở vật lý
Phổ hồng ngoại (InfraRed Spectrum, IR), xuất hiện do phân tử hấp thụ năng lƣợng bức xạ điện tử trong vùng hồng ngoại. Khi hấp thụ các bức xạ này (từ 2 – 50 μm, tƣơng ứng với số sóng 5000 – 200 cm-1), sẽ dẫn đến sự dao động của phân tử. Có hai loại dao động chính:
- Dao động hóa trị (kí hiệu ν): là những dao động làm thay đổi độ dài liên kết giữa hai nguyên tử trong phân tử nhƣng không làm thay đổi góc liên kết.
- Dao động biến dạng (kí hiệu δ): là những dao động làm thay đổi góc liên kết nhƣng không làm thay đổi độ dài liên kết.
Mỗi loại dao động trên còn đƣợc phân chia thành dao động đối xứng (kí hiệu νs, δs) và dao động bất đối xứng (kí hiệu νas, δas). Mỗi loại dao động thƣờng có mức năng lƣợng khác nhau nên mỗi tần số hấp thụ khác nhau đặc trƣng cho từng liên kết. Tần số dao động của một số nhóm chức hữu cơ đƣợc trình bày trong bảng 2.1
Bảng 2.1: Tần số dao động của một số nhóm chức hữu cơ
Tần số, cm-1 Loại dao động Tần số, cm-1 Loại dao động
3700 – 3200 1900 – 1550 1140 – 1070 - OH (ht) C=O (ht) C-O-C (ht) 1200 – 1000 C-O (ht) ht: hóa trị, bd: biến dạng
2.2.5.4. Ứng dụng phổ hồng ngoại trong hóa học
Phổ hấp thụ hồng ngoại đƣợc ứng dụng rất rộng rãi trong nghiên cứu hóa học, đặc biệt hóa học hữu cơ. Sau đây là một số ví dụ chủ yếu:
Xác định cấu trúc phân tử
Dựa vào giá trị tần số và cƣờng độ của các đỉnh hấp thụ đặc trƣng, ta có thể xác nhận sự có mặt của các nhóm nguyên tử trong phân tử, từ đó có thể suy ra cấu trúc phân tử.
Phân tích định tính
Để nhận biết một hợp chất hữu cơ, ta so sánh phổ của nó với phổ của chất chuẩn. Với mục đích này, cần phải ghi phổ của chất nghiên cứu trong điều kiện chuẩn. Hiện nay, ngƣời ta đã lập đƣợc bộ phổ chuẩn gồm hàng nghìn chất hữu cơ khác nhau.
Dựa vào phổ hồng ngoại, ta còn có thể đánh giá độ tinh khiết của một hợp chất bằng cách so sánh hai phổ đồ của hai mẫu thuộc cùng một hợp chất. Phổ đồ của mẫu nào có ít đỉnh hấp thụ hơn sẽ là mẫu tinh khiết hơn.
2.3. KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ Pb2+ BẰNG XENLULO Pb2+ BẰNG XENLULO
2.3.1.Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ
Cho 100 ml dung dịch Pb2+ có nồng độ 50mg/l vào cốc chứa 1 g xenlulo, điều chỉnh với pH = 7, khuấy đều. Tiến hành quá trình hấp phụ ở nhiệt độ 300C. Ở những khoảng thời gian xác định (30, 60, 90, 120, 150, 180, 210, 240 phút), lọc lấy dung dịch và xác định nồng độ Pb2+ còn lại trong dung dịch bằng phƣơng pháp chuẩn độ complexon : Dùng pipet có bầu hút chính xác 10 ml dung dịch Pb2+
sau khi đêm hấp phụ cho vào bình tam giác, thêm 2 ml dung dịch đệm NH4OH + NH4Cl ( pH = 10) lắc đều, thêm chỉ thị ETOO( Ericrom đen) để dung dịch có màu đỏ nho. Sau khi định phân bằng dung dịch trilon B đã biết trƣớc nồng độ ( định phân chậm, lắc đều) cho đến khi dung dịch đổi từ màu đỏ nho sang màu xanh biếc ( không lẫn tím). Lặp lại thí nghiệm 2- 3 lần , lấy kết quả trung bình.Từ đó tính đƣợc nồng độ Pb2+ còn lại.
Tải trọng hấp phụ đƣợc tính theo công thức: (Ci Cf).V q
m
Trong đó: q, Ci, Cf,V, m lần lƣợt là tải trọng hấp phụ (mg/g), nồng độ dung dịch đầu (mg/l), nồng độ dung dịch khi đạt cân bằng hấp phụ (mg/l), thể tích dung dịch (l) và khối lƣợng chất hấp phụ (g).
2.3.2. Khảo sát ảnh hƣởng của pH
Tiến hành quá trình hấp phụ nhƣ trên tại các pH khác nhau từ 2-8.
2.3.3. Xác định tải trọng hấp phụ cực đại của sản phẩm ghép theo mô hình đẳng nhiệt Langmuir nhiệt Langmuir
Tiến hành quá trình hấp phụ tƣơng tự nhƣ trên nhƣng tại các nồng độ đầu khác nhau: 50, 100, 150, 200, 250, 300 (mg/l). Từ các kết quả thu đƣợc, tiến hành hồi quy các số liệu thực nghiệm bằng các phần mềm chuyên dụng để xác định các hằng số của phƣơng trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir.
Phƣơng trình đẳng nhiệt có dạng: ax . 1 . f m f b C q q b C
Trong đó: q là tải trọng hấp phụ tại thời điểm cân bằng qmax là tải trọng hấp phụ cực đại
b là hằng số đặc trƣng cho năng lƣợng tƣơng tác cấu chất hấp phụ
và chất bị hấp phụ.
Để xác định các hằng số trong phƣơng trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir có thể chuyển phƣơng trình trên thành phƣơng trình đƣờng thẳng:
ax ax 1 1 . . f f m m C C q q b q
Đây là phƣơng trình đƣờng thẳng biểu thị sự phụ thuộc của Cf/q vào Cf. Từ phƣơng trình này, ta có thể xác định đƣợc các hằng số qmax và b trong phƣơng trình độ dốc và đoạn cắt trục tung.
2.3.4. Khảo sát khả năng giải hấp và tái sử dụng chất hấp phụ
Chất hấp phụ sau khi đã bảo hòa hấp phụ. Thu chất đã hấp phụ, đêm rửa sạch bằng nƣớc cất sau đó cho thêm vào 100 ml dung dịch HNO3 0.5 M và khuấy với tốc độ 300 vòng/phút; thời gian khuấy 90 phút ở nhiệt độ 30oC. Tiến hành 5 chu kỳ hấp phụ và giải hấp liên tiếp. Sau mỗi chu kỳ, xác đinh % kim loại bị hấp phụ và % kim loại đƣợc giải hấp.
CHƢƠNG 3
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ ĐẾN QUÁ TRÌNH TÁCH XENLULO VỎ QUẢ SẦU RIÊNG TÁCH XENLULO VỎ QUẢ SẦU RIÊNG
Quá trình tách xenlulo từ vỏ quả sầu riêng đƣợc thực hiện theo phƣơng pháp kiềm.
Cho vào cốc thủy tinh 10 g vỏ quả sầu riêng khô. Dung dịch nấu chứa NaOH và nƣớc cất. Đổ nƣớc ngập vỏ quả sầu riêng (ứng với tỉ lệ lƣợng dịch nấu/ lƣợng vỏ sầu riêng sử dụng là 3/1). Đun cốc thủy tinh trên bếp điều nhiệt.
3.1.1. Ảnh hƣởng của khối lƣợng NaOH đến quá trình tách xenlulo theo phƣơng pháp kiềm pháp kiềm
Cho vào cốc thủy tinh 10g vỏ quả sầu riêng đã đƣợc sấy khô, thêm nƣớc ngập vỏ, thêm vào m gam NaOH (m1, m2, m3, m4, m5, m6 ) và đặt trên bếp điều nhiệt ở 70o
C trong 20 giờ.
Kết quả ảnh hƣởng của khối lƣợng NaOH đến % lignin bị loại đƣợc trình bày ở bảng 3.1 và hình 3.1.
Bảng 3.1: Ảnh hưởng của khối lượng NaOH đến % lignin bị loại
Stt Khối lƣợng NaOH (g) % ligin bị loại
1 3 30.4 2 4 37.6 3 5 40.5 4 6 40.505 5 7 40.51 6 8 40.511
Ảnh hưởng của khối lượng NaOH đến % lignin bị loại 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
khối lượng NaOH(g)
% l ign in bị l oạ i
Hình 3.1: Ảnh hưởng của khối lượng NaOH đến % lignin bị loại
Từ kết quả thu đƣợc ở bảng 3.1 và hình 3.1, ta thấy kiềm hóa xenlulo bằng
NaOH với khối lƣợng là 5 g thì lƣợng % lignin bị loại là rất cao.
Có thể giải thích nhƣ sau : Khi khối lƣợng NaOH tăng lên thì phản ứng tách xenlulo diễn ra dễ dàng hơn. Nhƣng khi khối lƣợng NaOH càng tăng thì phản ứng ngƣng tụ lignin càng tăng, hai phản ứng này cạnh tranh nhau. Với khối lƣợng NaOH là 5 g đã gần tới điểm cân bằng của phản ứng tách xenlulo và phản ứng ngƣng tụ lignin. Nếu ta tăng khối lƣợng này thì % lignin bi loại có tăng nhƣng không đáng kể nhƣng lại tiêu tốn hóa chất . Do vậy ở đây chúng tôi lựa chọn khối lƣợng NaOH tối ƣu là 5 g.
3.1.2. Ảnh hƣởng của thời gian nấu đến quá trình tách xenlulo theo phƣơng pháp kiềm pháp kiềm
Cho vào cốc thủy tinh 10g vỏ quả sầu riêng đã đƣợc sấy khô, thêm nƣớc ngập vỏ, thêm vào 5 gam NaOH( đã khảo sát ở trên) và đặt trên bếp điều nhiệt ở 70oC trong t giờ ( t1,t2, t3, t4, t5, t6 )
Kết quả ảnh hƣởng của thời gian nấu đến % lignin bị loại đƣợc trình bày ở bảng 3.2 và hình 3.2.
Bảng 3.2: Ảnh hưởng của thời gian nấu đến % lignin bị loại
Stt Thời gian nấu (giờ) % lignin bị loại
1 10 30.2
2 12 34.6
3 14 38.3
4 16 40.509
5 18 40.51
6 20 40.51
Ảnh hưởng của thời gian nấu đến % lignin bị loại
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 0 5 10 15 20 25
thời gian nấu ( giờ)
% l ign in bị l oạ i
Hình 3.2: Ảnh hưởng của thời gian nấu đến % lignin bị loại
Từ kết quả thu đƣợc ở bảng 3.2 và hình 3.2, ta thấy thời gian nấu là 16 giờ,
% ligim bị loại là rất cao, nếu tăng thêm thời gian thì % lignin bị loại tăng không đáng kể, nên chúng tôi chọn thời gian nấu tối ƣu là 16 giờ.
Có thể giải thích nhƣ sau : Khi tăng thời gian nấu thì phản ứng tách xenlulo diễn ra càng dễ, nhƣng khi tăng thời gian nấu cùng với môi trƣờng kiềm thì phản ứng ngƣng tụ lại diễn ra càng nhanh. Nên cũng tƣơng tự nhƣ trên, thời gian nấu 16 giờ đã gần đạt tới điểm cân bằng giữa phản ứng tách xenlulo và phản ứng ngƣng tụ lignin. Nên ở đây chúng tôi chọn thời gian nấu tối ƣu là 16 giờ.
3.1.3. Ảnh hƣởng của nhiệt độ nấu đến quá trình tách xenlulo theo phƣơng pháp kiềm
Cho vào cốc thủy tinh 10g vỏ quả sầu riêng đã đƣợc sấy khô, thêm nƣớc ngập vỏ, thêm vào 5 gam NaOH (khảo sát ở trên), nấu trong 16 giờ (khảo sát ở trên)và đặt trên bếp điều nhiệt ở nhiệt độ T (T1, T2, T3, T4, T5,T6 )
Kết quả ảnh hƣởng của nhiệt độ nấu đến % lignin bị loại đƣợc trình bày ở bảng 3.3 và hình 3.3.
Bảng 3.3: Ảnh hưởng của nhiệt độ nấu đến % lignin bị loại
Stt Nhiệt độ nấu (o C) % lignin bị loại 1 70 30.2 2 75 34.7 3 80 38.7 4 85 40.65 5 90 43.5 6 95 40.1
Hình 3.3: Ảnh hưởng của nhiệt độ nấu đến % lignin bị loại
Từ kết quả thu đƣợc ở bảng 3.3 và hình 3.3, ta thấy nhiệt độ nấu là 90 O
C, % lignin bị loại là cao nhất, nên chúng tôi chọn nhiệt độ nấu tối ƣu là 90 OC.
Có thể giải thích nhƣ sau : Khi nhiệt độ tăng thì phản ứng tách xenlulo tăng đồng thời phản ứng ngƣng tụ xenlulo cũng tăng theo. Khi ta tăng nhiệt độ tới một
mức nào đó thì phản ứng ngƣng tụ lignin diễn ra mạnh mẽ hơn phản ứng tách xenlulo nên % lignin bị loại giảm.
Nhƣ vậy, khi nấu vỏ quả sầu riêng bằng phƣơng pháp kiềm với thời gian nấu 16giờ, lƣợng vỏ sầu riêng / lƣợng NaOH là 2, nhiệt độ nấu là 90oC thì % lignin bị loại là rất cao, tiết kiệm và giảm thiểu nguy cơ ô nhiễm môi trƣờng.
Các yếu tố tối ƣu đƣợc sử dụng để nấu vỏ quả sầu riêng theo phƣơng pháp kiềm. Sau khi nấu theo phƣơng pháp kiềm, ta thu đƣợc xenlulo vỏ quả sầu riêng thô (còn lignin).
3.2. TẨY TRẮNG BỘT XENLULO THÔ
Chúng tôi tiến hành tẩy trắng bột xelulo thô qua hai giai đoạn đã trình bày ở chƣơng 2 và thu đƣợc xenlulo.
Hình 3.5:Xenlulo vỏ quả sầu riêng được tẩy trắng
3.3. Phân tích sản phẩm xenlulo vỏ quả sầu riêng bằng phƣơng pháp phân tích phổ hồng ngoại (IR) phổ hồng ngoại (IR)
Sản phẩm xenlulo vỏ quả sầu riêng đƣợc phân tích bằng phƣơng pháp phổ hồng ngoại IR tại phòng thí nghiệm phân tích quang phổ của trƣờng Đại học Sƣ phạm Đà Nẵng.
Kết quả phân tích xenlulo vỏ quả sầu riêng bằng phổ hồng ngoại IR đƣợc trình bày trong hình 3.6 và hình 3.7.
Hình 3.6: Phổ hồng ngoại của xenlulo vỏ quả sầu riêng
Hình 3.7: Phổ hồng ngoại của xenlulo vỏ quả sầu riêng so sánh với xenlulo chuẩn trong thư viện phổ.
Bảng 3.4. Tần số và loại dao động trong phổ hồng ngoại của xenlulo vỏ quả sầu riêng Tần số (cm-1 ) Loại dao động Tần số (cm-1 ) Loại dao động 3901,82 3337,97 2918,86 2124,43 1640,15 1428,12 1378.67 1318.98 1338.96 -OH tự do (ht) -OH liên kết (ht) C-O (ht) 1161,83 1058,80 897,72 823.49 801.40 585,83 458,62 C-H (bd) C-O-C (ht) dao động vòng no C-H (bd)
Dựa vào kết quả phân tích bằng phổ hồng ngoại và kết quả so sánh với phổ
chuẩn ta thấy là : xenlulo vỏ quả sầu riêng hoàn toàn tƣơng tự với xenlulo trong thƣ
viện phổ chuẩn.
3.4. KẾT QUẢ KHẢO SÁT QUÁ TRÌNH TÁCH Pb2+
CỦA XENLULO 3.4.1. Ảnh hƣởng của thời gian khuấy đến quá trình hấp phụ ion Pb2+
Ảnh hƣởng của thời gian khuấy đến tải trọng hấp phụ Pb2+
trên xenlulo đƣợc nghiên cứu trong điều kiện: nồng độ Pb2+ 50 mg/l, nồng độ xenlulo 1g/ 100 ml, pH = 7.0, nhiệt độ 30oC. Thời gian khuấy thay đổi từ 30 ÷ 150 phút. Kết quả thu đƣợc thể hiện ở bảng 3.5 và hình 3.8.
Bảng 3.5: Kết quả khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ ion Pb2+
của xenlulo
t (phút) 30 60 90 120 150
Ảnh hưởng của thời gian đến tải trọng hấp phụ 0 1 2 3 4 5 0 20 40 60 80 100 120 140 160
Thời gian đạt cân bằng
Tả i tr ọn g hấ p ph ụ
Hình 3.8: Kết quả khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ ion Pb2+ của xenlulo Bảng 3.5 và hình 3.8 cho thấy, khi thời gian khuấy tăng thì tải trọng hấp phụ tăng và cân bằng hấp phụ đạt đƣợc sau 90 phút. Vì vậy, thời gian khuấy 90 phút
đƣợc chọn làm thời gian tối ƣu cho các nghiên cứu tiếp theo.
3.4.2. Ảnh hƣởng của pH dung dịch đến quá trình hấp phụ ion Pb2+
Ảnh hƣởng của pH dung dịch đến quá trình hấp phụ Pb2+
đƣợc khảo sát trong vùng pH = 2,0 ÷ 8,0 với điều kiện: nồng độ Pb2+ 50 mg/l, nồng độ xenlulo 1/l00 (g/ml), nhiệt độ 30oC, thời gian khuấy 90 phút. Kết quả thu đƣợc thể hiện ở bảng 3.6 và hình 3.9.
Bảng 3.6: Kết quả khảo sát ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ ion Pb2+
pH 2 3 4 5 6 7 8
Ảnh hưởng pH đến tải trọng hấp phụ 0 1 2 3 4 5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 pH tả i tr ọn g hấ p ph ụ
Hình 3.9: Kết quả khảo sát ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ ion Pb2+
Từ bảng 3.6 và hình 3.9 cho thấy : Trong vùng pH = 2.0 ÷ 6.0 tải trọng quá trình hấp phụ tăng khi pH tăng, sau đó pH tăng thì tải trọng giảm ở pH = 7.0 ÷ 8.0. Nguyên nhân ảnh hƣởng của pH đến quá trình hấp phụ Pb2+ trên xenlulo đƣợc giải thích là do sự hấp phụ cạnh tranh của H+ và sự tích điện dƣơng trên bề mặt xenlulo ở vùng pH thấp đã ảnh hƣởng đến sự tạo phức giữa ion Pb2+
với các nhóm OH của xenlulo, còn ở vùng pH = 7.0 ÷ 8.0 đã có xuất hiện kết tủa Pb(OH)2 nên hiệu suất hấp phụ giảm. Vì vậy, dung dịch có pH = 6.0 đƣợc chọn cho quá trình hấp phụ Pb2+.
3.2.3. Xác định tải trọng hấp phụ cực đại
Tiến hành quá trình hấp phụ ở 30o
C, pH = 6.0 , t = 90 phút, [Pb2+] thay đổi từ 50 ÷ 300 (mg/l), tỷ lệ xenlulo / thể tích dung dịch =1/100 (g/ml). Kết quả thực
nghiệm xác định tỉ trọng hấp phụ cực đại của xenlulo theo mô hình Langmuir đƣợc trình bày trong bảng 3.7 và hình 3.10.
Bảng 3.7: Kết quả xác định tải trọng hấp phụ cực đại ion Pb2+ của xenlulo XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG CỰC ĐẠI y = 0.0619x + 0.4512 R2 = 0.9945 0 1 2 3 4 5 6 7 0 20 40 60 80 100 120 NỒNG ĐỘ CÂN BẰNG N Ồ N G Đ Ộ C Â N B Ằ N G / TẢ I TR Ọ N G
Có thể thấy rằng mô hình hấp phụ đẳng nhiệt của Langmuir mô tả khá chính xác sự hấp phụ của Pb2+
lên xenlulo. Điều này đƣợc thể hiện qua hệ số tƣơng quan R2 của quá trình hồi quy (R2
= 0.9945 ). Điều này cũng chứng tỏ rằng Pb2+ đƣợc hấp phụ đơn lớp trên sản phẩm ghép. Từ phƣơng trình thu đƣợc có thể xác định tải trọng hấp phụ cực đại của ion Pb2+
là 16.2 mg / g.
STT Ci (mg/l) Cf (mg/l) q (mg/g)
1 50 4.5 4.55
2 100 6.78 9.32
3 150 18.3 13.17
4 200 59.9 14.01
