Tổng hợp cellulose acetate từ bã mía và khảo sát khả năng xử lý kim loại nặng trong nước của sợi cellulose acetate zeolite (CA/Ze)

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:5

Thêm vào BST

Báo xấu

46
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Trong nghiên cứu này, Cellulose acetate được tổng hợp bã mía và kết hợp với Zeolite để tạo thành sợi Cellulose acetate/Zeolite (CA/Ze) nhằm nghiên cứu khả năng hấp phụ kim loại nặng. Kết quả nghiên cứu cho thấy sợi CA/Ze có khả năng trao đổi ion của các kim loại nặng trong nước, đối với ion kim loại Pb2+ thì hiệu suất lên đến 98.90% trong điều kiện tối ưu là pH = 5; thời gian xử lý 150 phút, nồng độ đầu vào là 25 mg/L và khối lượng sợi cần dùng là 0.3 g.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tổng hợp cellulose acetate từ bã mía và khảo sát khả năng xử lý kim loại nặng trong nước của sợi cellulose acetate zeolite (CA/Ze)

Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 Kỷ yếu khoa học TỔNG HỢP CELLULOSE ACETATE TỪ BÃ MÍA VÀ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG XỬ LÝ KIM LOẠI NẶNG TRONG NƯỚC CỦA SỢI CELLULOSE ACETATE/ZEOLITE (CA/Ze) Nguyễn Trung Hiệp*, Trương Thị Cẩm Trang Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Tp. Hồ Chí Minh * Tác giả liên lạc: nguyentrunghiep.hcmus@gmail.com TÓM TẮT Trong nghiên cứu này, Cellulose acetate được tổng hợp bã mía và kết hợp với Zeolite để tạo thành sợi Cellulose acetate/Zeolite (CA/Ze) nhằm nghiên cứu khả năng hấp phụ kim loại nặng. Kết quả nghiên cứu cho thấy sợi CA/Ze có khả năng trao đổi ion của các kim loại nặng trong nước, đối với ion kim loại Pb2+ thì hiệu suất lên đến 98.90% trong điều kiện tối ưu là pH = 5; thời gian xử lý 150 phút, nồng độ đầu vào là 25 mg/L và khối lượng sợi cần dùng là 0.3 g. Đối với ion Cu2+ hiệu suất xử lý lần lượt là 91.7% trong điều kiện pH =5, thời gian 180 phút với nồng độ đầu vào 10 mg/L và khối lượng vật liệu là 0.4 g. Từ khóa: Bã mía, Cellulose acetate, Zeolite, hấp phụ, kim loại nặng, sợi Cellulose acetate/Zeolite. SYNTHESIS CELLULOSE ACETATE FROM SUGARCANE BAGASSE AND FABRICATION OF CELLULOSE ACETATE/ ZEOLITE (CA/Ze) MATERIAL FOR CAPTURE TO COPPER (II) AND LEAD (II) Nguyen Trung Hiep*, Truong Thi Cam Trang Faculty of Environment, University of Sciences – VNU Ho Chi Minh City * Corresponding author: nguyentrunghiep.hcmus@gmail.com ABSTRACT In this study, cellulose acetate was synthesized from bagasse and combined with zeolite to form cellulose acetate/zeolite (CA/Ze) fiber in order to research its ability to adsorb heavy metals. The results show that CA/Ze fibers have the capacity for ion exchange with heavy metals in water. For Pb2+ ions, the efficiency is up to 98.90% under optimal conditions of pH = 5; the shaking time of 150 minutes, the input concentration of 25 mg/L and 0.3 g of fiber. For the Cu2+ ions, the processing efficiency was 91.7% at pH 5, 180 minutes shaking time, 10 mg/L of input concentration and 0.4 g of fiber. Keywords: Sugarcane bagasse, cellulose acetate, zeolite, adsorption, heavy metals, cellulose acetate/zeolite fibers. TỔNG QUAN pháp xử lý đơn giản, dễ sử dụng, chi phí Ô nhiễm kim loại nặng từ các ngành công thấp, khả năng tái sinh vật liệu hấp phụ tốt, nghiệp hiện nay là một mối đe dọa nghiêm đồng thời có thể tận dụng nhiều loại vật liệu trọng đối với sức khỏe con người, hệ sinh là phế thải của các ngành khác để làm nguồn thái do độc tính, sự bền vững và xu hướng nguyên liệu hấp phụ. tích lũy sinh học trong môi trường tự nhiên Zeolite được biết đến là một vật liệu có của nó. Vì vậy, việc áp dụng các phương nguồn gốc từ địa chất với cấu trức tinh thể pháp xử lý nhằm giảm thiểu hoặc loại bỏ kim không gian ba chiều nhiều lỗ xốp rổng có loại nặng trong nước là điều rất cần thiết và khả năng hấp phụ và trao đổi ion cao, thích đang ngày càng được quan tâm trên thế giới hợp cho việc xử lý kim loại nặng trong nước, nói chung và Việt Nam nói riêng. Hiện nay, tuy nhiên vấn đề thu hồi và tái sử dụng kém Có rất nhiều phương pháp loại bỏ kim loại nên cần có những biện pháp khắc phục, cụ nặng trong nước đã được nghiên cứu và ứng thể là nhiều hợp chất Polymers chiết xuất từ dụng như kết tủa hóa học, trao đổi ion, điện các phế thải cũng như các nguyên liệu sinh hóa, sinh học, quá trình màng, hấp phụ. học đã được nghiên cứu để kết hợp với Trong đó, phương pháp hấp phụ là phương Zeolite tạo thành các dạng sợi, hạt, màng,… 561
Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 Kỷ yếu khoa học có khả năng loại bỏ kim loại nặng tốt, dễ tái zeolite -Polyethersulfone để xử lý kim loại sinh, tái sử dụng với giá thành rẻ và dễ thực nặng trong nước. hiện. Bên cạnh đó, Cellulose acetate được Trong nghiên cứu này, Cellulose acetate chế tạo từ bã mía, một loại phế thải trong sản được điều chế từ bã mía khác với Fei Ji xuất đường, nước ngọt, … là một trong (2012) sử dụng Cellulose acetate (CA, Mw = những vật liệu được đề xuất với hiệu quả 30,000 g/mol) từ Shanghai Chemical cao, cho thấy đây là một hướng nghiên cứu Reagent Co., Ltd. (Shanghai, China). Đây là thực đầy hứa hẹn cho việc loại bỏ kim loại điểm nổi bật, cũng là mục tiêu của nghiên nặng ra khỏi môi trường nước. Năm 2012, cứu “tạo ra vật liệu xử lý môi trường từ Fei Ji, Chaolin Li và cộng sự đã nghiên cứu những phế thải nông nghiệp đáp ứng việc sợi Zeolite kết hợp với Cellulose acetate để phát triển bền vững”. Bên cạnh đó, việc tổng hấp phụ kim loại nặng. Năm 2013, Machawe hợp Cellulose acetate từ bã mía còn tạo tiền Mxolisi Motsa đã nghiên cứu vật liệu đề đế áp dụng trong việc xử lý các phế thải polymer Polypropylene – Zeolite cho việc khác. Tiết kiệm được kinh phí xử lý phế thải, thanh lọc nước. Năm 2016, Kohtaroh tiết kiệm kinh phí từ việc mua Cellulose Nakamoto, Masaru Ohshiro, Takaomi acetate thương mại mà vẫn đáp ứng nhu cầu Kobayashi đã nghiên cứu sợi Mordenite an toàn về môi trường. Phương pháp tổng hợp Cellulose acetate NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP từ bã mía Nguyên liệu Bã mía được rửa sạch rồi cắt nhỏ, phơi dưới Zeolite A-3, công thức MeO.Al- ánh nắng mặt trời vài giờ. Sau đó bã mía 2O3.mSiO2.nH2O, kích thước hạt 200 mesh được sấy trong tủ sấy ở nhiệt độ 50oC trong được mua từ Spectrum Chemicals & 24 giờ. Cân 12 gam bã mía đã được xử lý ở Laboratory Products Co.,Ltd (Nhật bản). giai đoạn trên, ngâm trong nước cất 12 giờ. Dung dịch muối chứa các kim loại nặng Sau đó lọc bã mía và ngâm trong 300 ml được pha chế trong phòng thí nghiệm với dung dịch NaOH 0.25M ở nhiệt độ phòng nồng độ xác định 100mg/L. Cellulose acetate trong 24 giờ. Bã mía sau khi ngâm NaOH được tổng hợp từ bã mía có nguồn gốc từ được lọc và rửa lại bằng nước cất nhiều lần tỉnh Bến Tre, Việt nam. đến trung tính. Hình 1. Quy trình tổng hợp Cellulose acetate từ bã mía Phương pháp chuẩn bị sợi Cellulose khảo sát khả năng hấp phụ kim loại nặng Acetate/Zeolite Thí nghiệm theo mẻ được tiến hành với dung Cân 6 gam cellulose acetate và hòa tan vào dịch chứa kim loại nặng Cu(II), Pb(II) với hỗn hợp Acetone/nước (1:6 w/w) bằng cách pH thay đổi từ 2 đến 9 và điều chỉnh pH sử dụng máy khuấy từ khuấy 3 giờ. Sau đó bằng 0.1M NaOH hoặc 0.1M HNO3. Lượng 1.5 gam Zeolite được thêm từ từ vào hệ sợi CA/Ze được sử dụng là 0.3g cho vào thống trên và tiếp tục khuấy 3 giờ tại nhiệt 50ml dung dịch chứa ion kim loại nặng với độ phòng. Hỗn hợp thu được sau khi khuấy nồng độ đầu vào của Cu(II), Pb(II) là sẽ tiến hành tạo sợi bằng phương pháp kéo 100mg/L. Thí nghiệm được tiến hành với tốc sợi khô. độ lắc 150 vòng/phút trong 2h ở nhiệt độ Tính chất sợi Cellulose Acetate/Zeolite và phòng. 562
Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 Kỷ yếu khoa học KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Tổng hợp Cellulose Acetate từ bã mía Hình 2. Cellulose triacetate (trái) và cellulose aceate tổng hợp từ bã mía Như nhìn thấy trên hình 2, Cellulose acetate anhydride acetic acid. Quá trình này làm tăng tổng hợp từ bã mía có màu hơi vàng và hiệu nhóm chức acetyl trong cấu trúc của suất thu được trong quá trình là 52%. Cellulose được thể hiện rõ qua việc phân tích Cellulose triacetate được tổng hợp từ quá phổ FTIR của CTA (Hình 3). trình acetyl hóa cellulose bằng acid acetic và Hình 3. Phổ FTIR của bã mía (SCB), Cellulose, CTA, CA và CA/Ze Tính chất sợi Cellulose acetate/Zeolite có tại các peak đặc trưng của sơi có nét tương (CA/Ze) đồng với các nhóm chức đặc trưng của Sau khi tổng hợp sợi CA/Ze có kích thước 1- Zeolite và CA, điều này chứng tỏ Zeolite đã 2mm, chiều dài trung bình 10-15cm, không được phủ lên sợi, có sự liên kết giữa Zeolite tan trong nước, biến dạng trong HNO3 đặc và và CA trong sợi CA/Ze. Hình 4 cho thấy cấu có tính giòn. Hình 4 thể hiện phổ FTIR của trúc bề mặt và mặt cắt ngang của sợi CA/Ze, bã mía, cellulose, sợi CA/Ze và 2 dẫn xuất quan sát hình nhận thấy bề mặt vật liệu bị của cellulose acetate. Các peak đại diện cho phủ kín, tuy nhiên quan sát kỹ sẽ thấy rất các nhóm chức đặc trưng trong cấu trúc của nhiều hạt nhỏ bám dính trên bề mặt của sợi mỗi vật liệu. Sự so sánh cấu trúc của sợi CA/Ze cũng như bề mặt cắt ngang ta thấy rõ CA/Ze tổng hợp được với cấu trúc của sự kết hợp giữa Zeolite và CA trong cấu trúc Cellulose Acetate (CA) và Zeolite, nhận thấy sợi. 563
Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 Kỷ yếu khoa học Hình 4. Ảnh chụp SEM mặt cắt ngang của sợi CA/Ze các độ phóng đại khác nhau (a) X 50 (b) X 1,500 (c) X 10,000 Một số tính chất ảnh hưởng đến khả năng CA/Ze. Hình 5, ta thấy vật liệu sợi CA/Ze có hấp phụ kim loại nặng của sợi CA/Ze dung lượng hấp phụ đối với ion Pb(II) là tốt pH ảnh hưởng đến các dạng tồn tại của ion nhất, sau đó là Cu(II), tại pH 5. Với dung kim loại trong nước, chính vì vậy pH ảnh lượng hấp phụ lần lượt 14.07, 5.50 mg/g. hưởng rất lơn đến khả năng hấp thụ của sợi Hình 5. Ảnh hưởng của pH Hình 6. Ảnh hưởng của nồng độ Các ion kim loại Pb (II), Cu (II), được trao đạt 91.7%. đổi với ion kim loại kiềm nằm trên các hạt Việc khảo sát đường đẳng nhiệt hấp phụ Zeolite nhằm cân bằng nồng độ với các ion được thực hiện và các tham số được thể hiện trong dung dịch. Hình 6 cho thấy hiệu xuất ở Bảng 1. Các khảo sát và tính toán đối với xử lý của sợi CA/Ze đối với các ion kim loại các ion kim loại là Pb2+ và Cu2+ cho thấy hệ Pb (II), Cu (II), giảm khi tăng nồng độ ban số tương quan thu được ở mô hình Langmuir đầu của các ion kim loại này, do việc tăng r2=0.996 đối với Pb và r2=0.989 cao hơn các nồng độ đầu vào mà không tăng lượng chất mô hình Freundlich, điều này chứng tỏ mô hấp phụ (ở đây là CA/Ze) nên dẫn đến hiệu hình đẳng nhiệt Langmuir phù hợp hơn với suất hấp phụ giảm xuống. Đối với ion Pb (II), kết quả thí nghiệm hiện tại của sợi CA/Ze. khoảng nồng độ xử lý tối nhất là dưới 25 Ngoài ra, các kết quả còn thể hiện rằng Pb2+, mg/L, với khoảng nồng độ này thì hiệu suất Cu2+ có thể hấp thụ vào CA/Ze bằng cơ chế xử lý đạt đến 98%. Đối với Cu(II), sợi CA/Ze cả vật lý và hóa học tuy nhiên hấp phụ hóa cho thấy khả năng xử lý tốt nhất ở khoảng học, đơn lớp chiếm ưu thế hơn. nồng độ dưới 10 mg/L, khi đó hiệu suất xử lý 564
Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 Kỷ yếu khoa học Bảng 1. Đường đẳng nhiệt Langmuir-Freundlich Kim loại Đường đẳng nhiệt hấp phụ Pb2+ Cu2+ qm 20.576 3.273 Langmuir KL 0.315 0.121 R2 0.996 0.989 Kf 0.014 1,362 Freundlich 1/n 2.651 0.166 2 R 0.954 0.964 KẾT LUẬN đối với ion kim loại Pb2+ và 91.7% đối với Nghiên cứu đã thành công trong việc tổng Cu2+ trong điều kiện tối ưu. hơp Cellulose acetate từ bã mía và tạo ra sợi Lời cảm ơn CA/Ze có khả năng xử lý kim loại Pb(II) và Tác giả cùng nhóm nghiên cứu xin được gửi Cu(II) trong nước. Kết quả cho thầy sợi lời cảm ơn Công ty TNHH Nhà máy Bia CA/Ze có khả năng loại bỏ kim loại nặng Heineken Việt Nam đã tài trợ kinh phí góp trong nước tuân theo mô hình đẳng nhiệt phần giúp cho nghiên cứu của nhóm thành Langmuir, hiệu suất loại bỏ lên đến 98.90% công. TÀI LIỆU THAM KHẢO FEI JI, CHAOLIN LI, (2012), Preparation of cellulose acetate/zeolite composite fiber and its adsorption behavior for heavy metal ions in aqueous solution, Chemical Engineering Journal 209, 325-333. MACHAWE MXOLISI MOTSA (2013), Polyprolylene-zeolite polymer composites for water purification: synthesis, characterisation and application, Desalination and Water Treatment, 1-9 manganese from aqueous solution by kaolinite, Water Res. 37 948–952. KOHTAROH NAKAMOTO, MASARU OHSHIRO, TAKAOMI KOBAYASHI (2016) Mordenite zeolite—Polyethersulfone composite fibers developed for decontamination of heavy metal ions, Journal of Environmental Chemical Engineering 5 (2017) 513–525. M. F. FERREIRA JUNIOR et.al (2011) SEM study of the morphology of asymmetric cellulose acetate membranes produced from recycled agroindustrial residues: sugarcane bagasse and mango seeds. Polym. Bull. 66:377–389 R.G. CANDIDO, A.R. GONCALVES (2016) Synthesis of cellulose acetate and carboxymethylcellulose from sugarcane straw. Carbohydrate Polymers 152:679–686. 565