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