Nghiên cứu chế tạo nhựa trao đổi ion từ quá trình sulfonate polystyrene thải ứng dụng trong xử lý nước cứng và nước nhiễm kim loại nặng

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:6

Thêm vào BST

Báo xấu

35
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mức độ tiêu thụ Polystyrene (PS) ngày càng nhiều, tuy vậy vòng đời sử dụng chúng tương đối ngắn do đó việc thải bỏ PS thải hàng năm ra môi trường là rất lớn. Công nghệ tái chế vật liệu thải bỏ vừa mang lại hiệu quả kinh tế mà còn góp phần bảo vệ môi trường và hạn chế khai thác nguồn tài nguyên. Trong đề tài này, tác giả lựa chọn nhựa PS thải (PSW) từ chén nhựa sử dụng một lần điều chế tạo thành nhựa trao đổi ion bằng phương pháp sulfonate với xúc tác bạc sulfate.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu chế tạo nhựa trao đổi ion từ quá trình sulfonate polystyrene thải ứng dụng trong xử lý nước cứng và nước nhiễm kim loại nặng

Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 Kỷ yếu khoa học NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO NHỰA TRAO ĐỔI ION TỪ QUÁ TRÌNH SULFONATE POLYSTYRENE THẢI ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ NƯỚC CỨNG VÀ NƯỚC NHIỄM KIM LOẠI NẶNG Nguyễn Thanh Trúc* Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM *Tác giả liên lạc: trucnt945@gmail.com TÓM TẮT Mức độ tiêu thụ Polystyrene (PS) ngày càng nhiều, tuy vậy vòng đời sử dụng chúng tương đối ngắn do đó việc thải bỏ PS thải hàng năm ra môi trường là rất lớn. Công nghệ tái chế vật liệu thải bỏ vừa mang lại hiệu quả kinh tế mà còn góp phần bảo vệ môi trường và hạn chế khai thác nguồn tài nguyên. Trong đề tài này, tác giả lựa chọn nhựa PS thải (PSW) từ chén nhựa sử dụng một lần điều chế tạo thành nhựa trao đổi ion bằng phương pháp sulfonate với xúc tác bạc sulfate. Do đó, việc hướng đến mục tiêu tái chế nhựa PSW từ chén dĩa nhựa thành nhựa trao đổi ion đã mở ra một hướng mới về chế tạo nhựa trao đổi ion từ vật liệu thải bỏ. Kết quả nghiên cứu vô cùng thành công khi hiệu suất xử lý của nhựa nghiên cứu đối với kim loại và ion cứng đạt > 80%. Nhựa điều chế có gốc cation acid mạnh với nhóm chức năng là SO3-H+ được tìm thấy bằng phương pháp đo FTIR, TGA. Hiệu quả xử lý nước cứng đạt từ 80%-90% và xử lý kim loại nặng (Zn2+, Cd2+, Pb2+, Cu2+) đạt từ 70-80% trong điều kiện khuấy trộn liên tục. Từ đó góp phần tạo nền tảng cho các hướng nghiên cứu về đề tài điều chế nhựa thải đồng thời mang lại lợi nhuận cho doanh nghiệp trong xử lý chất thải. Từ khóa: Nhựa PS, nhựa PS thải, phương pháp sulfonate, xúc tác bạc sulfate, phân tích phổ hồng ngoại, phân tích nhiệt trọng lượng, nước cứng, kim loại nặng. SYNTHESIS OF SUNFONATED ION EXCHANGE RESIN FROM WASTE POLYSTYRENE AND THEIR APPLICATION FOR HARDNESS AND HEAVY METALS REMOVAL Nguyễn Thanh Trúc* University of Technology and Education, HCM city * Corresponding author: trucnt945@gmail.com ABSTRACT The level of consumption of Polystyrene more and more, however lifecycle using them relatively short due that the disposal of waste PS into the environment annually is huge. The solution of recycling waste materials more meaningful, not only brings more economic benefits but also contribute to environmental protection and exploitation resources. In this study, waste PS was selected from disposable cups, plates in order to make ion exchange resin by sulfonatation method with silver sulfate catalyst. As a result, making ion exchange resin from recycled PS of disposable cups, plates has opened up new avenues for ion- exchange resin production from waste materials. The results of this study are successful with the metal and calcium removal efficiency of over 80%. The strong acidic cationic base derivative with functional group SO3 –H+ was found by FTIR, TGA. The efficiency of hard water treatment reached from 80%-90% and heavy metals (Zn2+, Cd2+, Pb2+, Cu2+) reach from 70-80% in terms of continuous operation mode. This has contributed to solving problem of plastic waste generation while brings profits to the enterprises in waste treatment. Keywords: Hardness water, heavy metals, Polystyrene, Polystyrene waste, Fourrier Transformation InfraRed, sulfonation method, silver sulfate catalyst, ThermoGravimetric Anlysis. TỒNG QUAN loại nặng và nước nhiễm cứng. Mặt khác, Trong những năm gần đây ở nước ta, môi hiện nay, con người đang phụ thuộc rất lớn trường nước ngày càng bị ô nhiễm bởi kim vào các loại vật liệu làm từ nhựa vì các tiện 529
Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 Kỷ yếu khoa học ích đơn giản, dễ sử dụng và rẻ tiền, tuy nhiên (Memmert WB 10), Tủ sấy (Memmert khi chúng không còn hữu ích nữa thì được UN55), Máy lắc (SK-0330), Máy đo pH thải bỏ ra môi trường một cách tràn lan, bừa (Mettler Toledo S220-K), Máy đo kim loại bãi, làm môi trường bị ô nhiễm nặng nề. Phải nặng (Metrohm 797 VA Computrace). mất đến hàng trăm năm thậm chí cả hàng Phương pháp nghiên cứu: Sulfonate PSW nghìn năm để một mảnh rác thải nhựa bị với xúc tác bạc sulfat phân hủy hoàn toàn trong điều kiện tự nhiên Cân 5g nhựa PS thải từ chén nhựa, cắt vụn tốc độ phân hủy chậm. Song song với phần sau đó tráng rửa bằng nước cất. Sấy khô mặt tiêu cực trên thì các phế thải từ nhựa vẫn nhựa ở 105°C trong 2h. Trong thời gian chờ được các nhà nghiên cứu tìm thấy những sấy, chuẩn bị bình cầu 100ml chứa 0.05g tiềm năng rất lớn, theo đó nhựa thải có thể AgSO4, thêm vào Vml H2SO4 đậm đặc, được biến đổi thành những loại vật liệu hữu khuấy cẩn thận cho tan hết kết tủa và cho 5g ích cho môi trường. Một trong số các tiềm nhựa PSW vào bình, đun nóng ở t°C trong năng được các nhà chuyên gia tìm thấy phải bếp cách thủy trong vòng T phút, thỉnh kể đến tiềm năng biến đổi nhựa thải thành hạt thoảng khuấy. Để kết thúc quá trình, tiến nhựa trao đổi ion (Andrea E. Holboke and hành chiết dung dịch đun vào một cốc chứa Robert P. Plnnell, 1987), màng trao đổi ion nước cất để ngưng tụ dung dịch nóng tạo kết (S. Mulijani, K. Dahlan, and A. Wulanawati, tủa nhựa. Lọc kết tủa (nhựa) thu được và rửa 2014), … Từ đó có thể ứng dụng nhựa trao nhiều lần với nước cất đến khi loại bỏ hoàn đổi ion điều chế từ nhựa thải để xử lý nước toàn phần axit dư bám trên nhựa. Sau đó, sấy thải cũng như nước cấp góp phần hạn chế ô khô nhựa thu được ở 105°C trong vòng 8-10 nhiễm môi trường. giờ. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Vật liệu Khảo sát thông số tối ưu điều chế nhựa Chén nhựa sử dụng một lần. Nhựa thành phẩm sẽ được khảo sát hiệu quả Các hóa chất sử dụng: Ag2SO4, Murexide xử lý canxi với nồng độ là 40 ppm để tìm giá (LabChem, USA), H2SO4, NaCl, HCl,…Các trị tối ưu. Các thông số được trình bày lần loại thiết bị được sử dụng: bếp đun cách thủy lượt trong hình 1, hình 2 và hình 3. 100 % Hiệu suất xử lý Canxi 80 60 40 20 0 V= 10ml V= 15ml V=20ml V=25ml V=30ml Thể tích H2SO4 Hình 1. Hiệu suất xử lý Ca2+ qua khảo sát thông số thể tích H2SO4 100 % Hiệu suất xử lý Canxi 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 t = 60 t =70 t = 80 t = 90 t = 100 Nhiệt độ phản ứng (oC) Hình 2. Hiệu suất xử lý Ca2+ qua khảo sát thông số nhiệt độ 530
Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 Kỷ yếu khoa học Hiệu quả xử lý Canxi % 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 t = 30 t = 60 t = 90 t = 120 t = 150 Thời gian phản ứng Hình 3. Hiệu suất xử lý Ca2+ qua khảo sát thông số thời gian Hình 1 cho thấy sản phẩm tạo thành dễ bị rửa ứng thế đạt tới trạng thái cân bằng. Vậy qua trôi trong quá trình rửa nhựa do đó khả năng khảo sát trên thời gian tại t = 120°C cho hiệu trao đổi giảm vì lúc này các gốc –SO3H đã bị quả cao nhất. tách khỏi chuỗi polystyrene (Martins et al., Khảo sát đặc tính FTIR 2003). Vì vậy V=20ml là thể tích tối ưu. Hình 4 cho thấy việc xuất hiện các đỉnh trong Hình 2 cho thấy thấy phản ứng thế của nhựa phổ FTIR tại các vị trí 1.017cm-1 và và axit đã đạt bão hòa tại 90 oC nên với nhiệt 1.376cm-1 chứng tỏ sự xuất hiện của nhóm độ cao hơn không làm tăng khả năng phản liên kết S=O và tại đỉnh 3.444cm-1 là sự xuất ứng mà còn làm nhựa thành phẩm bị cháy hiện của liên kết -OH. Trong đó, sự hấp thụ ở đen dẫn đến giảm hiệu quả xử lý (S. Paul, 1.017 cm-1 là kết quả của sự rung động kéo 1981). Hình 3 cho thấy khả năng trao đổi giãn đối xứng của các nhóm SO3H. tăng dần theo thời gian sau đó giảm, phản Hình 4. Kết quả phân tích FTIR Khảo sát đặc tính TGA 472.39°C, trong đó điểm mất khối lượng Hình 5, điểm bắt đầu khối lượng trước hiệu trung bình là 454.48°C. Và kết thúc toàn bộ ứng là 362.84°C, điểm bắt đầu một quy trình quá trình, phần trăm khối lượng nhựa bị mất giảm nhiệt độ ổn định 438.05°C, tương ứng đi là 80.058% và nhiệt kết thúc hiệu ứng là điểm kết thúc của sự thay đổi khối lượng là 497.38°C. 531
Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 Kỷ yếu khoa học Hình 5. Kết quả phân tích TGA của PSW Khảo sát hiệu quả xử lý nước cứng và nước nhiễm kim loại nặng Ảnh hưởng lượng nhựa 28 100 Canxi, magie còn lại (mg/l) 24 95 Hiệu suất xử lý (%) 88.3 90 20 86.34 87.32 85 84.39 16 80.76 79.16 80 77.56 74.35 75 12 70 8 65 60 4 55 0 50 5 6 7 8 Lượng nhựa phản ứng (g) Hình 6. Ảnh hưởng của lượng nhựa đến quá trình loại bỏ Ca2+, Mg2+ Ảnh hưởng của nồng độ Canxi, magie còn lại (mg/l) 30.00 100 Hiệu suất xử lý (%) 25.00 88.62 90.25 90 20.00 85.38 83.96 85.37 80.5 81.3 80 15.00 75.95 75.95 67.95 70 10.00 5.00 60 0.00 50 20 40 60 80 100 Nồng độ Canxi, magie ban đầu (mg/l) Hình 7. Hiệu suất xử lý Ca2+, Mg2+ theo nồng độ Ca2+, Mg2+ Ảnh hưởng của thời gian 14 120 Canxi, Magie còn lại (mg/l) 95.13 97.55 12 90.25 96 100 Hiệu suất xử lý (%) 10 82.93 91.98 83.98 80 8 71.95 60 6 40 4 2 20 0 0 5 10 30 60 Thời gian phản ứng (phút) Hình 8. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến quá trình loại bỏ Ca2+, Mg2+ 532
Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 Kỷ yếu khoa học Hiệu suất khử Ca2+, Mg2+ 110 100 90 85.38 80 Hiệu suất, % 75.95 67.08 70 60 53.68 68.3 48.8 50 40 45.9 30 47.9 23.85 15.83 20 10 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 Thời gian Ca - PSW Mg - PSW Ca - 220 Na Mg - 220 Na Hình 9. Hiệu suất loại bỏ Ca2+, Mg2+ vận hành liên tục của nhựa PSW và 220 Na Mối quan hệ nồng độ và hiệu suất 12 90 80 10 70 Nồng độ sau, ppm 8 60 H (%) 50 6 40 4 30 20 2 10 0 0 10 20 40 Nồng độ đầu, ppm Nồng độ Zn Nồng độ Cd Nồng độ Pb Nồng độ Cu Hiệu suất Zn Hiệu suất Cd Hiệu suất Pb Hiệu suất Cu Hình 10. Mối quan hệ giữa nồng độ và hiệu suất KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ kích thước nhỏ, đồng đều. Ngoài ra chúng ta Điều chế thành công nhựa trao đổi ion từ có thể nghiên cứu theo hướng tìm hiểu các nguyên liệu thải bỏ là chén nhựa polystyrene dung môi có thể hòa tan nhựa sau đó tạo hạt xài một lần. với kích thước đồng đều vì với tiết diện hạt Dung lượng trao đổi khá cao là 1.68 eq/l, tròn sẽ hạn chế các lỗ rỗng bọt khí trong quá khối lượng riêng 0.91 kg/m3, độ ẩm đạt 51% trình vận hành hệ thống. và không có độ trương nở. Ngoài ra, vật liệu sử dụng trong đề tài chỉ Mục tiêu tái chế, tận dụng nguồn nguyên liệu giới hạn chén, dĩa nhựa polystyrene sử dụng là chén dĩa đã sử dụng được thải bỏ để chế một lần để nghiên cứu điều chế thành nhựa tạo thành một loại vật liệu có ích mà thu trao đổi ion trong tương lai nên có thể mở được nhựa có khả năng xử lý nước nhiễm rộng đề tài với các loại polystyrene thải từ cứng và nhiễm kim loại nặng tương đối cao nhiều nguồn khác nhau hoặc các loại như nghiên cứu trên là đã rất khả quan. polymer khác để mang lại sự đa đạng cũng Nhựa trao đổi điều chế từ PSW có hình dạng như xây dựng một hệ thống thông tin về khả vảy khá to, kích thước không đồng đều do năng trao đổi của các loại nhựa trao đổi ion quá trình chuẩn bị nguyên liệu đầu vào khá điều chế từ các loại nhựa thải khác nhau. thủ công và chỉ bị sulfonate bề mặt nên khả Trong phạm vi đề tài này nhựa điều chế từ năng trao đổi không cao như nhựa thị trường PSW sẽ được ứng dụng để xử lý nước cứng Indion 220 Na. chứa Ca2+, Mg2+ và một số các kim loại nặng Cần đầu tư máy móc để đảm bảo hạt nhựa có phổ biến như Zn, Cd, Cu, Pb... Tuy nhiên 533
Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 Kỷ yếu khoa học ngoài các ứng dụng trên nhựa trao đổi có thể sạch nước cao vì thế nên mở rộng nghiên cứu khử khoáng các hợp chất của As, P, Xi, và để có thể khai thác triệt để các ứng dụng của các chất phóng xạ, phương pháp này cho nhựa trao đổi. phép thu hồi các chất có giá trị với độ làm TÀI LIỆU THAM KHẢO PAVIA, DONALD L, GARY M. LAMPMAN, JR GEORGE S. KRIZ, (1982), Introduction to organic laboratory techniques: a contemporary approach, Pages 77-191. AGOSTINHO LCL, NASCIMENTO L AND CAVALCANTI BF (2012): Water Hardness Removal for Industrial Use: Application of the Electrolysis Process, Open Access Scientific Reports. STEPHEN LOWER (JULY 2007). “Hard water and water softening”. Retrieved 2007-10-08. SARAH E H COMSTOCK, TREAVOR H. BOYER (2014), Combined magnetic ion exchange and cation exchange for removal of DOC and hardness, Contribution to journal, Pages 366-375. B.M. WATSON, C.D. HORNBURG (1989), Low-energy membrane nanofiltration for removal of color, organics and hardness from drinking water supplies, Desalination, Vol. 72 Pages 11-22. M. HUNSOMA, K. PRUKSATHORNA, S. DAMRONGLERDA, H. VERGNESB, P. DUVERNEUIL (2005), Electrochemical treatment of heavy metals (Cu2+, Cr6+, Ni2+) from industrial effluent and modeling of copper reduction, Water search, Vol.36, Pages 610-616. 534