ĐỂ CƯƠNG NGHIÊN CỨU KHOA HỌC : “ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU TRAO ĐỔI ANION TỪ POLYSTYREN PHẾ LIỆU, ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ NƯỚC SINH HOẠT VÀ NƯỚC THẢI”

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI
KHOA MÔI TRƯỜNG

ĐỂ CƯƠNG NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
TÊN ĐỀ TÀI
“ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU TRAO ĐỔI ANION TỪ
POLYSTYREN PHẾ LIỆU, ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ NƯỚC SINH HOẠT
VÀ NƯỚC THẢI”

Nhóm sinh viên thực hiện

Bùi Thị Anh
Đào Thị Lý
Đặng Thị Lý
Lê Sao Tuyết Nhi

Lớp

: ĐH3KM1

Giảng viên hướng dẫn

: TS. Mai Văn Tiến

HÀ NỘI 9/2015

1


MỤC LỤC

1. Đặt vấn đề..........................................................................................................................................2

1


1. Đặt vấn đề
Nhựa là một trong những chất liệu tiện dụng nhất mà con người từng phát
minh. Với đặc tính rẻ, bền, tiện lợi, nhựa được ứng dụng trong hầu hết các lĩnh vực
của đời sống từ túi nilon cho tới đồ dùng, chai lọ nhựa… Tuy nhiên, cuộc sống chúng
ta ngày nay đang phải đối mặt với mối đe dọa từ chính thứ chất liệu này gây nên.
Những phế phẩm, rác thải từ nhựa bị vứt một cách bừa bãi xuống biển đang từng ngày,
từng giờ đưa thế giới tới bờ vực ô nhiễm nặng nề.
Một trong các polyme quen thuộc với chúng ta là polystyrene. Polystyren
(thường viết tắt là PS) là một loại nhựa nhiệt dẻo, được tạo thành từ phản ứng trùng
hợp styren:
Nhựa PS được chia thành 2 loại khác nhau:
- Hạt nhựa HIPS (High Impact Polystyrene) có khả năng chịu lực tốt, dùng làm
vỏ xe máy, vỏ tivi, hộp, khay đựng bánh kẹo, hũ sữa chua, hũ yaout, làm chén, đĩa loại
dùng một lần,…
- Hạt nhựa GPPS (General Purpose Polystyrene) có màu trong suốt. Nhựa
GPPS có ứng dụng rất rộng như làm vỏ hộp đựng mứt, vỏ bánh kẹo, lọ mỹ phẩm, cánh
quạt,...
Hiện nay việc xử lý rác thải polyme trong đó có rác thải PS trong môi trường
đang là một vấn đề nhức nhối chưa tìm được một giải pháp thích hợp và hiệu quả.
Nhựa có tính bền, nhẹ, thời gian phân hủy của các phế phẩm từ nhựa luôn xếp tốp đầu
trong số các loại rác thải bị vứt bừa bãi xuống biển, đại dương. Thống kê cho thấy,
những chiếc dây cước câu cá làm từ nhựa chỉ có thể tan biến sau 600 năm, tiếp theo là
chai nhựa với khoảng 450 năm và các vật dụng nhựa khác là 400 năm. Khi lẫn vào đất
sẽ ngăn cản ôxi đi qua đất, gây xói mòn đất, làm cho đất bạc màu, không tơi xốp, kém
chất dinh dưỡng, từ đó làm cho cây trồng chậm tăng trưởng. Thực tế PS được làm từ

dầu mỏ nguyên chất khi chôn lấp chúng dưới đất sẽ ảnh hưởng tới môi trường đất và
nước, sẽ tạo ra khí thải có chất độc dioxin và Fura gây ngộ độc, ảnh hưởng tuyến nội
tiết, gây ung thư, giảm khả năng miễn dịch, rối loạn chức năng tiêu hóa và các dị tật
bẩm sinh ở trẻ nhỏ. Bên cạnh đó rác thải PS còn làm mất mỹ quan tới cảnh quan.
Để hạn chế hoặc khắc phục các tác hại của rác thải polyme và ở đây là phế liệu
PS, trong nước và các quốc gia trên thế giới đã có rất nhiều các giải pháp như:
- Chôn lấp, thiêu đốt (chiếm phần lớn).
- Tái chế sử dụng các phế liệu để chế tạo các sản phẩm thứ cấp như bê tông xốp,
xốp cách âm, xốp cách nhiệt, hộp xốp tái chế.
2


- Chế tạo dầu crackinh: Đưa phế liệu vào lò hấp đốt thiêu kết không có không khí
nó thành dầu.
- Các biện pháp khác.
Tuy nhiên các biện pháp này không hiệu quả, chất lượng các sản phẩm thứ cấp
không tốt thậm chí có thể gây ảnh hưởng đến sức khỏe con người (chả hạn như hộp
cơm tái chế khi đựng thức ăn ở nhiệt độ cao), biện pháp chôn lấp thiêu đốt chúng lại là
vấn đề gây ô nhiễm môi trường không khí đất và nước nặng nề, trên đây là những biện
pháp chưa thực sự triệt để và hiệu quả, giải quyết đước vấn đề ô nhiễm này nhưng lại
phát sinh ra vấn đề ô nhiễm, những nguy hiểm tiềm ẩn khác đối với môi trường và sức
khỏe sinh vật, con người. Trong vấn đề chuyển phế liệu sang dầu cũng cần năng lượng
tốn hơn, chi phí đắt đỏ đối với một nước đang phát triển như Việt Nam ta.
Việc xử lý chúng là rất khó khăn và tốn kém chính vì vậy tái chế là một biện
pháp khả quan hơn cả và tận dụng được chính tính chất bền của chúng, nguồn phế liệu
rác thải PS săn có.
Cần thiết phải tìm ra hướng giải quyết hiệu quả, tránh gây lãng phí và bảo vệ
môi trường cụ thể là môi trường nước (nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp,…)
đạt hiệu quả kinh tế.
Mặt khác ở Việt Nam nhu cầu sử dụng vật liệu trao đổi ion lớn tuy nhiên nước

ta phải nhập khẩu chủ yếu từ các nước khác và chủ yếu là từ trung quốc, chất lượng
chưa hẳn đảm bảo. Loại vật liệu trao đổi ion được ứng dụng trong xử lý môi trường cụ
thể là môi trường nước đem lại hiệu quả cao nhưng trong nước chưa có sản xuất được
loại vật liệu này. Từ mong muốn phát triển loại vật liệu này ở Việt Nam, đồng thời xử
lý được phế liệu PS lâu phân hủy, xử lý được một số anion độc hại trong nước thải.
Chúng em đã đưa ra ý tưởng nghiên cứu “Chế tạo vật liệu trao đổi anion từ polystyren
phế liệu”. Biện pháp này vừa có thể xử lý một phần phế liệu polystyren bằng cách tái
chế, vừa có thế xử lý ô nhiễm nước đối với một số anion độc hại đang là vấn đề cấp
bách hiện nay, tạo ra một sản phẩm đảm bảo về mặt chất lượng và hiệu quả kinh tế cao
nhất khi nguyên liệu được tái chế từ chính nguồn phế liệu dồi dào trong nước và giảm
việc nhập khẩu vật liệu từ nước ngoài.
2. Tổng quan vấn đề nghiên cứu liên quan đến đề tài

3


Hiện nay ô nhiễm nước đang là một trong những vấn đề được quan tâm hàng
đầu trên thế giới, đã có rất nhiều nghiên cứu để đưa ra các giải pháp xử lý ô nhiễm
nước (nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiêp,…). Trong đó có xử lý các ion độc
hại trong nước bằng các vật liệu biến tính như vật liệu nhựa trao đổi ion.
Hạt nhựa trao đổi ion đóng vai trò quan trọng trong lọc và xử lý nước. Việc
chọn được hạt nhựa phù hợp nhất cho mục đích xử lý nước nhằm đem lại hiệu quả cao
nhất mà giá thành tốt nhất là mong muốn của nhà sản xuất lẫn người tiêu dùng.
Về nguyên tắc, vật liệu dùng để trao đổi ion là những chất không hoà tan và có
chứa các ion có thể dễ dàng trao đổi với các ion khác trong dung dịch phản ứng với nó.
Sự trao đổi này không làm biến đổi tính chất vật lý của vật liệu trao đổi ion.
Bên cạnh đó nhựa trao đổi ion là một loại polyme có khả năng trao đổi và chọn
lọc những anion độc hại như (Cl-, SO42-, NO3-, PO43-, …) trong môi trường nước. Về
cơ bản nhựa trao đổi ion phổ biến được tổng hợp và chế tạo trên cơ sở là polystyren và
copolyme của nó có khả năng trao đổi ion dương và nhóm amine trao đổi ion âm. Các

loại nhựa tổng hợp được sử dụng chủ yếu để tinh sạch nước.
PS (polystyrene) là loại nhựa cứng trong suốt, không có mùi vị, cháy cho ngọn
lửa không ổn định. PS không màu và dễ tạo màu, hình thức đẹp, dễ gia công bằng
phương pháp ép và ép phun vì vậy một phần PS có trong các thùng xốp, hộp xốp đựng
thức ăn, để kê giữ bảo vệ các thiết bị máy móc,…
Quá trình tổng hợp polystyren và copolyme của nó được tạo thành từ phản ứng trùng
hợp styren (CH[C6H5]-CH2)n , hoặc đồng trùng hợp styren với các monome khác,….

Trên thực tế các loại nhựa trao đổi ion được chế tạo từ PS hoặc copolystyren đều
phải sử dụng các phản ứng biến tính thông qua các phản ứng sunfua hóa, clometyl hóa
copolyme styren đivinylbenzen, phản ứng amin hóa với amin bậc hai.

4


Clometyl hóa copolyme styren đivinylbenzen sau đó bằng phản ứng amin hóa với
amin bậc hai có thể chế tạo được nhựa trao đổi anion:

Hiện nay trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu và ứng dụng vật liệu trao đổi
anion vào xử lý nước thải mà chủ yếu nước thải sinh hoạt có chứa các anion độc hại
(Cl-, SO42-, NO3-, PO43-, …) mà nó được tái chế chủ yếu từ phế liệu (thùng xốp, hộp
xốp, kệ gữi các thiết bị máy móc,…). Như tổng hợp zeolite năm 1913 do Permutit
Company (Mỹ), cacbonate zeolite được sử dụng làm vật liệu trao đổi ion năm 1935.
Nhựa trao đổi cation trùng hợp formadehyde, trao đổi anion (sản phẩm trùng hợp của
polyamines and formaldehyde). Các sản phẩm này có thể tách loại tất các ion trong
nước, nhưng nhựa anion không thể tách acid yếu của Si hoặc kiềm. Năm 1944, nhóm
các nhà nghiên cứu của Mỹ, D’ Alelio phát triển nhựa trao đổi anion - đồng trùng hợp
của styrene và divinylbenzen. Nhựa anion loại này được phát triển năm 1948, có thể
tách hoàn toàn các khoáng trong nước và được dùng rộng rãi cho đến ngày nay.
Tại Việt Nam đã có nhiều đề tài nghiên cứu về nhựa trao đổi ion do các giáo sư

tiến sĩ tại các trường đại học, nhưng chưa được đưa vào sản xuất mà chủ yếu nhập
khẩu từ nước ngoài như Trung Quốc, Mĩ, Ấn Độ,… chất lượng sản phẩm chưa hẳn
đảm bảo hoặc giá thành cao. Vì vậy việc nghiên cứu, đưa vào sản xuất tại trong nước
nhựa trao đổi ion sẽ mang lại những sản phẩm đảm bảo chất lượng và giá thành phù
hợp đặc biệt khi sản phẩm được tái chế từ nguồn phế liệu PS.

5


Biện pháp dùng nhựa trao đổi anion tái chế từ phế liệu có nhiều tiện ích như
thời gian sử dụng lâu dài, tái sinh được nhiều lần với chi phí thấp, năng lượng tiêu tốn
nhỏ, hiệu quả cao. Đặc biệt đây là phương pháp xử lý nước thân thiện với môi
trường vì nó chỉ hấp thu các chất sẵn có trong nước, phù hợp với điều kiện và nhu cầu
của nước ta.
3.

Mục

tiêu

nghiên

cứu

- Mục tiêu chung: Nghiên cứu xử lý và tận dụng nguồn phế liệu Polystyren thải để chế
tạo vật liệu trao đổi anion, ứng dụng xử lý nước sinh hoạt, nước thải ô nhiễm.
- Mục tiêu cụ thể: Chế tạo được nhựa trao đổi anion từ PS phế liệu và thử nghiệm
đánh giá khả năng trao đổi anion của vật liệu, cụ thể: Cl-, NO2- , NO3-, PO43-, …
4. Địa điểm, thời gian và đối tượng nghiên cứu
- Địa điểm: Phòng thí nghiệm khoa Môi Trường, Trường Đại Học Tài Nguyên

và Môi Trường Hà Nội.
- Thời gian nghiên cứu: Dự kiến từ tháng 9 năm 2015 đến tháng 4 năm 2016.
- Đối tượng nghiên cứu: Vật liệu mới, vật liệu nhựa có khả năng trao đổi anion
ứng dụng trong xử lí môi trường nước.
5. Nội dung nghiên cứu
+ Tổng quan tài liệu về PS nghiên cứu chế tạo nhựa trao đổi anion từ PS phế
liệu.
+ Thu thập, phân loại và xử lý PS phế liệu để tổng hợp nhựa trao đổi anion.
+ Nghiên cứu khảo sát các yếu tố có thể ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp
nhựa: nhiệt độ, nồng độ chất phản ứng, các chất xúc tác ( Friedel – Crafts ).
+ Khảo sát khả năng trao đổi anion của nhựa với các anion Cl-, NO2- , NO3- ,
PO43-..
6. Phương pháp luận và phương pháp nghiên cứu
* Phương pháp luận (Cách tiếp cận): Xuất phát từ tình hình thực tế hiện nay,
nước bị ô nhiễm bởi các anion (Cl- , NO2- , NO3-, PO43-, …) ngày càng nhiều và phổ
biến. Các anion này không chỉ có trong nước thải được thải ra ao, hồ mà chúng còn có
cả trong nước sinh hoạt hàng ngày của chúng ta điều này đã gây ảnh hưởng nghiêm
trọng tới môi trường cũng như cuộc sống của con người, sinh vật.
6


Vì vậy việc nghiên cứu ra một loại vật liệu biến tính có khả năng trao đổi ion là
một đề tài rất hấp dẫn và mới ở nước ta. Như việc sử dụng PS phế liệu rồi làm biến
tính chúng bằng các phản ứng hóa học: clometyl hóa copolyme styren đivinylbenzen
sau đó bằng phản ứng amin hóa với amin bậc hai để có thể điều chế được nhựa trao
đổi với các anion có trong nước nhằm làm giảm nồng độ của các anion này.
* Các phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp tổng hợp polyme, phản ứng trao đổi ion, phản ứng thế vòng
thơm, sunfua hóa, clometyl hóa, phản ứng không mạch tạo lưới dựa trên thiết bị tổng
hợp hữu cơ để chế tạo nhựa trao đổi anion.

- Phương pháp gia công: Sử dụng kỹ thuật gia công chế biến nhựa (nhựa nhiệt
dẻo) trao đổi anion để biết được độ dẻo, khả năng chịu nhiệt và độ bền của chúng
trong môi trường nước.
- Phương pháp phân tích: Sử dụng các phương pháp phân tích hện đại đặc trưng
như phổ hồng ngoại (IR), phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR), phương pháp phân tích
nhiệt, phổ hấp thụ nguyên tử AAS, phương pháp tiêu chuẩn ISO ASTM nhằm phân
tích, đánh giá khả năng hấp thụ trao đổi ion của các hạt nhựa.
- Phương pháp nghiên cứu tài liệu: Thu tập tài liệu về khả năng trao đổi anion
của PS.
- Phương pháp kế thừa: Kế thừa các nghiên cứu đã được công nhận về các vấn
đề liên quan đến đề tài.
- Phương pháp thống kê, so sánh để phân tích kết quả đạt được khi sử dụng
phương pháp này và phương pháp khác.
7. Dự kiến kết quả nghiên cứu
* Ý nghĩa khoa học: Việc nghiên cứu sử dụng PS phế liệu để chế tạo vật liệu
nhựa trao đổi ion có ý nghĩa to lớn về mặt khoa học như: tận dụng được một lượng lớn
PS phế liệu, tạo ra thêm được một loại vật liệu (nhựa trao đổi ion) có tính ứng dụng
lớn trong xử lí môi trường nước, tiết kiệm được về mặt kinh tế, giảm thiểu được khả
năng gây ô nhiễm môi trường.
* Ý nghĩa thực tế: Chế tạo ra loại vật liệu xử lí ô nhiễm từ chính phế liệu góp
phần giảm thiểu các tác nhân gây ô nhiễm môi trường.
8. Kế hoạch thực hiện
7


Bảng kế hoạch thực hiện đề tài nghiên cứu khoa học
Tháng
9
10

TT

Nội dung

1

Lựa chọn và xây dựng đề tài
X
nghiên cứu khoa học
Báo cáo và thông qua đề cương
nghiên cứu
Tổ chức nghiên cứu trong khuôn
khổ đề cương được phê duyệt,
bao gồm thu thập số liệu và đi
thực địa, kết hợp với phân tích số
liệu và viết tổng quan tài liệu
Viết báo cáo
Báo cáo thử giữa các nhóm
Báo cáo kết quả nghiên cứu
trước hội đồng

2
3

4
5
6

11

12

1

X

X

X

2

3

4

X

X

X
X
X

8


9. Phân chia trách nhiệm của các thành viên trong nhóm
STT

Họ và tên

Trách nhiệm cụ thể

1

Bùi Thị Anh

Thu thập tài liệu, thu thập phân loại xử lý phế
liệu, mua hóa chất, tham gia tổng hợp vật liệu.
Khảo sát đánh giá sản phẩm. Tổng hợp và xử lý
kết quả phân tích.

2

Đặng Thị Lý

Thu thập tài liệu, thu thập phân loại xử lý phế
liệu, mua hóa chất, tham gia tổng hợp vật liệu.
Khảo sát đánh giá sản phẩm. Tổng hợp và xử lý
kết quả phân tích.

3

Đào Thị Lý

Thu thập tài liệu, thu thập phân loại xử lý phế
liệu, mua hóa chất, tham gia tổng hợp vật liệu.
Khảo sát đánh giá sản phẩm. Tổng hợp và xử lý
kết quả phân tích.

4

Lê Sao Tuyết Nhi

Thu thập tài liệu, thu thập phân loại xử lý phế
liệu, mua hóa chất, tham gia tổng hợp vật liệu.
Khảo sát đánh giá sản phẩm. Tổng hợp và xử lý
kết quả phân tích. Quản lý qũy của nhóm.

Tất cả các thành viên trong nhóm đều phải có trách nhiệm tham gia thảo luận,
đưa ra ý kiến để thu được kết quả hiệu quả cuối cùng cho đề tài nghiên cứu.

9


10. Tài liệu tham khảo
1. Lê Văn Cát, (2002).Hấp thụ và trao đổi ion trong xử lí nước và nước
thải.NXB thống kê Hà Nội.
2. Trần Văn Nhân Ngô Thị Nhân. Giáo trình công nghệ xử lý nước thải. NXB
KHKT
3. Trần Thị Thu Hằng, (2013). Nghiên cứu chế tạo vật liệu composite trên nền
nhựa polyethylene và mùn cưa. NXB BỘ GIÁO DỤC và ĐÀO TẠO
4. GS.TSKH Nguyễn Đình Đức, Vật liệu composite-tiềm năng và ứng dụng.
Đại Học Quốc Gia Hà Nội.
5. GS.ThS. Ngô Duy Cường, Hóa học các hợp chất cao phân tử tr24, 25, 99,
100, 101, 102.
6.PGS.TS Trịnh Lê Hùng, Kỹ thuật xử lý nước thải. NXB GD tr108, 109.
7. TS Lê Minh Đức, Bài giảng nhựa trao đổi ion tr5, 11, 12, 13.

10