- Trang Chủ
- Hoá 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
Xem mẫu
- 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
nguon tai.lieu . vn
