Nghiên cứu xử lý môi trường ô nhiễm Cu2+ và Pb2+ bằng vật liệu PANi-bã cafe

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HÓA HỌC
************

NGUYỄN THỊ THU TRANG

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ MÔI TRƢỜNG
Ô NHIỄM Cu2+ VÀ Pb2+ BẰNG VẬT LIỆU
PANi-BÃ CAFE
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: Hóa lý

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học
ThS. TRẦN QUANG THIỆN

HÀ NỘI - 2017


LỜI CẢM ƠN
Với lòng kính trọng và biết ơn, em xin chân thành cảm ơn thầy giáo
Ths.Trần Quang Thiện và các thầy cô giáo trong khoa Hóa học đã tận tình
giảng dạy, đã định hướng và hướng dẫn em tận tình trong suốt quá trình
nghiên cứu để em hoàn thành được khóa luận.
Em xin được bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến các cô chú, anh chị, cán
bộ công nhân viên của Viện Kỹ thuật Nhiệt đới đã tạo điều kiện giúp đỡ em
được nghiên cứu, học tập và hoàn thành khóa luận.
Em xin chân thành cảm ơn lãnh đạo trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2,
Ban chủ nhiệm và các thầy cô trong Khoa Hóa học đã hết lòng quan tâm giúp
đỡ em trong suốt thời gian 4 năm học tập.
Con cảm ơn bố mẹ, em xin chân thành cảm ơn bạn bè và người thân đã
luôn tạo điều kiện và động viên em học tập đến đích cuối cùng.

Hà nội, ngày … tháng … năm 2017
Sinh viên

Nguyễn Thị Thu Trang

ii


LỜI CAM ĐOAN
Đề tài này em đã trực tiếp nghiên cứu dưới sự hướng dẫncủa Ths. Trần
Quang Thiện. Em xin cam đoan đây là kết quả em đã đạt được trong thời
gian làm khóa luận. Nếu có điều gì không trung thực, em xin hoàn toàn chịu
trách nhiệm.
Hà nội, ngày … tháng … năm 2017
Sinh viên

Nguyễn Thị Thu Trang

iii


iv


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1
1. Lý do chọn đề tài .......................................................................................................... 1
2. Mục tiêu nghiên cứu khóa luận................................................................................. 2
3. Phạm vi nghiên cứu ..................................................................................................... 2
4. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................................ 2

5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn................................................................................... 2
CHƢƠNG 1:TỔNG QUAN ............................................................................ 3
1.1. Polyanilin (PANi) ..................................................................................................... 3
1.1.1. Cấu trúc phân tử của PANi ..................................................................... 3
1.1.2. Tính chất của PANi ................................................................................. 4
1.1.2.1. Tính dẫn điện........................................................................................ 4
1.1.2.2. Tính điện sắc ........................................................................................ 5
1.1.2.3. Khả năng tích trữ năng lượng .............................................................. 6
1.1.2.4. Khả năng bảo vệ và chống ăn mòn kim loại ....................................... 7
1.1.3. Phương pháp tổng hợp PANi .................................................................. 7
1.1.2.1. Tổng hợp bằng phương pháp điện hóa ................................................ 8
1.1.2.2. Tổng hợp bằng phương pháp hoá ho ̣c................................................ 11
1.1.4. Ứng dụng của polyanilin ....................................................................... 12
1.2. Bã cafe ....................................................................................................................... 14
1.2.1. Phân loại khoa học cây cafe .................................................................. 14
1.2.2. Tình hình trồng và sản xuất cafe ở Việt Nam ....................................... 14
1.2.3. Giới thiệu về bã cafe ............................................................................. 15
1.3. Xử lí môi trường bằng PANi và bã cafe ........................................................... 16
1.3.1. Xử lí môi trường bằng PANi................................................................. 16
1.3.2. Xử lí môi trường bằng bã cafe .............................................................. 17

v


CHƢƠNG 2:THỰC NGHIỆM .................................................................... 19
2.1. Đối tượng nghiên cứu ............................................................................................ 19
2.2. Hóa chất – dụng cụ, thiết bị.................................................................................. 19
2.2.1. Hóa chất................................................................................................. 19
2.2.2. Dụng cụ ................................................................................................. 19
2.2.3. Thiết bị .................................................................................................. 19

2.3. Phương pháp nghiên cứu vật liệu ....................................................................... 20
2.3.1. Phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử AAS ........................................... 20
2.3.2. Phương pháp xử lí số liệu (phương pháp bình phương tối thiểu) ......... 20
2.4. Thực nghiệm ............................................................................................................ 22
2.4.1. Tổng hợp vật liệu hấp thu từ bã cafe..................................................... 22
2.4.2. Khả năng hấp thu của các ion Cu2+ và Pb2+ .......................................... 24
2.4.2.1. Bã cafe ................................................................................................ 24
2.4.2.2. Polyanilin (PANi)............................................................................... 24
2.4.2.3. Polyanilin-bã cafe (PANi – BCF) ...................................................... 24
CHƢƠNG 3:KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................ 25
3.1. Khả năng hấp thu ion kim loại nặng ........................................................ 25
3.1.1. Khả năng hấp thu ion Cu2+ .................................................................... 25
3.1.2. Khả năng hấp thu ion Pb2+ .................................................................... 27
3.2. Đánh giá khả năng xử lý ion kim loại................................................................ 29
3.2.1. Bã cafe (BCF) ....................................................................................... 29
3.2.2. Polyanilin (PANi).................................................................................. 30
3.2.3. Polyanilin-bã cafe (PANi – BCF) ......................................................... 31
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 35

vi


BẢNG CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT, KÍ HIỆU
Tên tiếng anh

Từ viết tắt

Têntiếngviệt

A

Cường độ vạch phổ hấp thụ

Ani

Anilin

Aniline

BCF

Bã café

Coffee grounds

Nồng độ nguyên tố cần xác
C

định trong mẫu đo phổ

CV

Cyclic voltamertry

EM

Emeraldine

GS

Galvanostatic

K

Hằng số thực nghiệm

L

Chiều dài môi trường hấp thụ

LE
PANi

Leucoemeraldine
Polyanilin

PE
PANi-BCF

Polyaniline
Pernigraniline

Polyanilin-bã cafe

PS

Polyaniline-Coffee grounds
Potentiostatic

vii

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng1.1. Độ dẫn điện của PANi trong một số môi trường khác nhau ................ 5
Bảng 1.2. Thành phần hóa học của cafe .................................................................... 15
Bảng 3.1. Hàm lượng của hai ion Cu2+ và Pb2+ theo thời gian t (phút), vật
liệu bã cafe (BCF). ....................................................................................... 29
Bảng 3.2. Hàm lượng của hai ion Cu2+ và Pb2+ theo thời gian t (phút), vật
liệu polyanilin (PANi). ............................................................................... 31
Bảng 3.3. Hàm lượng của hai ion Cu2+ và Pb2+ theo thời gian t (phút), vật
liệu polyanilin-bã cafe (PANi-BCF) ....................................................... 32

viii


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Công thức tổng quát của Polyanilin. ......................................................... 3
Hình 1.2. Các hình thức chuyển đổi giữa các dạng PANi. ..................................... 6
Hình 1.3. Sơ đồ về sự hình thành PANi bằng con đường điện hóa. .................. 10
Hình 1.4. Sơ đồ tổ ng hơ ̣p PANi bằ ng phương pháp hóa ho ̣c .............................. 11
Hình 1.5. Hạt cafe ........................................................................................................... 14
Hình 2.1. Bã cafe sau khi biến tính. ........................................................................... 23
Hình 3.1. Sự phụ thuộc của nồng độ hấp thu Cu2+ theo thời gian của vật
liệu. Nồng độ ban đầu C0=20mg/L, pH=7 ............................................. 25
Hình 3.2. Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp thu Cu2+ theo thời gian của các
vật liệu. Nồng độ ban đầu C0 = 20 mg/L, pH = 7. ............................... 26
Hình 3.3. Sự phụ thuộc của nồng độ hấp thu Pb2+ theo thời gian của vật
liệu. Nồng độ ban đầu C0=20mg/L, pH=7. ............................................ 27
Hình 3.4. Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp thu Pb2+ theo thời gian của các
vật liệu. Nồng độ ban đầu Co = 20 mg/L, pH=7. ................................. 28

Hình 3.5. Sự phụ thuộc của nồng độ vật liệu bã cafe vào thời gian đối với
các kim loại nặng ở pH=7. ......................................................................... 29
Hình 3.6. Sự phụ thuộc của nồng độ vật liệu polyanilin (PANi) vào thời
gian đối với các kim loại nặng ở pH=7. ................................................. 30

ix


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Ngày nay nền công nghiệp của chúng ta ngày càng phát triển một cách
mạnh mẽ thì nguy cơ gây ô nhiễm môi trường ngày càng cao, đặc biệt là vấn
đề ô nhiễm kim loại nặng thải ra từ các nghành công nghiệp là mối đe dọa với
sức khỏe con người và sự an toàn của hệ sinh thái. Nó đang trở thành một vấn
đề cấp bách cần được giải quyết bởi tính chất độc hại của nó đối với các sinh
vật sống nói chung và con người nói riêng.
Cu2+ và Pb2+ là hai ion kim loại nặng gây nên ô nhiễm môi trường nước.
Các nguồn nước thải chủ yếu chứa Cu2+ và Pb2+ bao gồm nước thải từ quá
trình khai thác khai thác khoáng, nước thải của các nhà máy… Các kim loại
này có tính độc hại cao sự có mặt của chúng trong nguồn nước sẽ dẫn đến sự
tích tụ trong các sinh vật sống khác gây tác hại xấu đến sức khỏe của con
người cũng như các loài động, thực vật khác. Do đó, việc loại trừ các thành
phần chứa các ion Cu2+ và Pb2+ ra khỏi các nguồn nước, đặc biệt là nước thải
công nghiệp là một trong nhưng mục tiêu môi trường quan trọng cần phải giải
quyết hiện nay.
Đã có nhiều phương pháp được áp dụng nhằm tách các ion kim loại nặng
ra khỏi môi trường đặc biệt trong những năm gần đây, việc nghiên cứu loại bỏ
các kim loại trong nước bằng các vật liệu tự nhiên là một trong nhưng hướng
nghiên cứu mới, thân thiện với môi trường do ít hoặc không phải bổ sung các
hóa chất vào dòng thải nên không gây các ảnh hưởng thứ cấp tới môi trường

mà còn có thể thu hồi kim loại. Do đó, một sự hấp thu các ion kim loại Cu2+
và Pb2+ trên các vật liệu hấp phụ rẻ tiền như bã cafe là một sự lựa chọn rất hấp
dẫn về mặt kinh tế. Bã cafe là một vật liệu liginxelulozơ, có khả năng tách
kim loại nặng hòa tan và màu trong nước thải nhờ vào cấu trúc xốp và thành
phần xenlulozơ.

1


Với mong muốn đưa ra các biện pháp xử lý ion kim loại Cu2+ và Pb2+
trong nước thải sao cho có hiệu quả, hạn chế chi phí đồng thời thân thiện với
môi trường, khóa luận tập trung vào “Nghiên cứu xử lý môi trường ô nhiễm
Cu2+ và Pb2+ bằng vật liệu PANi-bã cafe”.
2. Mục tiêu nghiên cứu khóa luận
- Tổng hợp và khảo sát các tính chất vật lí của các compozit từ polyanilin
và bãcafe bằng phương pháp hóa học.

- Khảo sát khả năng hấp thu ion kim loại nặngCu2+ và Pb2+ ra khỏi dung
dịch ô nhiễm bằng vật liệu tổng hợp.
3. Phạm vi nghiên cứu
Trong phòng thí nghiệm, thực nghiệm được tiến hành tại phòng thí
nghiệm nghiên cứu trường Đại họcSư phạm Hà Nội 2.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
Phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử AAS để xác định nồng độ của
nguyên tử trong dung dịch.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Khảo sát vật liệu Bã cafe, PANi, PANi-Bã cafe hấp thu ion kim loại
nặng Cu2+ và Pb2+ trong nước thải với nguồn nguyên liệu tổng hợp có sẵn,
phong phú, vật liệu thân thiện với môi trường.

2


CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1. Polyanilin (PANi)
Các hợp chất của polyanilin (PANi) đã được phát hiện 150 năm trước
đây, nhưng chỉ có từ năm 1980, polyanilin mới bắt đầu được sự chú ý bởi tiń h
chấ t d ẫn điện . Trong số ho ̣ polyme

dẫn điê ̣ n và chất bán dẫn hữu cơ

,

polyanilin là chấ t dễ dàng tổ ng hơ ̣p nhấ t , môi trường ổ n đinh
̣ . Mă ̣c dù c ác
phương pháp tổ ng hơ ̣p poly anilin tương đố i đơn giản , nhưng nó la ̣i có cơ chế
trùng hợp và quá trình oxy hóa khá phức tạp . Nhờ có nhiều tính ưu việt như
vậy, nên polyanilin là mô ̣t trong những poly me đươ ̣c nghiên cứu nhi ều nhấ t
trong 50 năm gầ n đây . Polyme dẫn được thu hút bởi khả năng tạo sản phẩm
mới để thay thế và do sự kết hợp độc đáo của chúng về tính gia công, ổn định
và kiểm soát tính dẫn điện, tính quang học và tính chất cơ, ứng dụng cho
nhiều ngành khác nhau [1].
1.1.1. Cấu trúc phân tử của PANi
PANi là sản phẩm cộng hợp của nhiều phân tử anilin (ANi) trong điều
kiện có mặt tác nhân oxi hóa làm xúc tác.
Polyanilin có công thƣ́c tổ ng quát:

Hình 1.1.Công thức tổng quát của Polyanilin[4].
PANi có thể tồn tại ở nhiều trạng thái oxy hóa khử khác nhau. Với mỗi

trạng thái có một cấu trúc mạch polyme khác nhau và có màu sắc cũng khác
nhau.

3


Các trạng thái oxi hóa khử cụ thể:
 Với n =1, m=0: Leucoemeraldine (LE) có màu vàng đến xanh nhạt,
ứng với tra ̣ng thái khử cao nhất. Cấu trúc này không dẫn điện.
 Với n=0, m=1: Pernigraniline (PE) có màu xanh nước biển đến tím,
ứng với trạng thái bị oxy hóa hoàn toàn.
 Với n =m=1: Emeraldine (EM) có màu xanh lá cây hoặc màu xanh
nước biển, là trạng thái oxi hóa m ột nửa. Đây là trạng thái hữu du ̣ng nhấ t của
polyanilin bởi tin
̣ của nó ta ̣i nhiê ̣t đô ̣ phòng.
́ h ổ n đinh
Ba trạng thái cơ bản: Pernigraline(màu xanh tím), Leucoemeraldine
(màu vàng), Emeraldine (màu xanh lá cây), muối Emeraldin (màu tím) có tính
chất dẫn điện tốt.
PANi ở các da ̣ng khác nhau thì khác nhau về tính chấ t hóa ho ̣c, cũng như
tính chất vật lý.
1.1.2. Tính chất của PANi
1.1.2.1. Tính dẫn điện
PANi có hệ thống nối đôi liên hợp dọc toàn mạch phân tử hoặc trên
những đoạn lớn của mạch mà PANi là một hợp chất hữu cơ dẫn điện. Sự bất
định của một số lớn electron π dọc theo mạch polyme trong hệ thống nối đôi
liên hợp mang lại thuận lợi lớn về mặt năng lượng. Polyme dẫn có độ bền
nhiệt động cao do khi tạo thành hệ thống nối đôi liên hợp nhiệt phát ra lớn
hơn giá trị tính toán trên cơ sở hằng số năng lượng liên kết.
Đặc tính dẫn điện của polyme được quyết định bởi hai yếu tố quan trọng

là: Trạng thái oxi hóa của polyme và mức độ proton hóa của nguyên tử nitơ
trong mạch. Độ dẫn của PANi trong các môi trường khác nhau được thể hiện
trong bảng sau:

4


Bảng1.1. Độ dẫn điện của PANi trong một số môi trường khác nhau[12]

Axit

Độ dẫn điện

Axit

(S/cm).10-2

Độ dẫn điện
(S/cm).10-2

H2SO4

9,72

H2SO3

8,44

HCl

9,14

HClO4

8,22

HNO3

8,63

H2C2O4

7,19

Tuy nhiên tính dẫn điện của PANi cũng thay đổi khi ta doping vào mạch
polyme một số ion lạ, ví dụ: Cl-, Br-, I-, ClO4-… Nguyên nhân dẫn đến sự tăng
độ dẫn là do khi ta doping thêm các ion lạ vào mạch PANi thì nó chuyển sang
dạng muối dẫn đến tăng tính dẫn điện của PANi [18].
1.1.2.2. Tính điện sắc
PANi có tính điện sắc, bởi màu của nó thay đổi do phản ứng oxi hóa
khử. Người ta đã chứng minh PANi thể hiện được nhiều màu sắc: Màu vàng
đến xanh lá cây, xanh thẫm và xanh đen.
Mà sắc sản phẩm PANi có thể được quan sát tại các điện thế khác nhau
(so với điện cực calomen bão hòa) trên điện cực Pt: Màu vàng (-20 V), màu
xanh nhạt (0,0 V), màu xanh thẫm (0,65 V), các màu sắc này tương ứng với
các trạng thái oxi hóa khác nhau [17]. Khi doping thêm các chất khác nhau thì
sự thay đổi mãu sắc của PANi còn đa dạng hơn nhiều. Ví dụ: Khi doping
thêm ion Cl- thì màu sắc của polyanilin có thể thay đổi từ màu (trạng thái
khử) sang màu xanh (trạng thái oxy hóa).
Nhờ vào tính điện sắc đó ta có thể quan sát và biết được trạng thái tồn tại

của PANi ở môi trường nào.
Ứng dụng này của nó được làm các sensor cảm ứng.

5


H
N

*

H
N

H
N

+

H
N

*

+

n

A-

A-

EMERALDINE SALTS (ES)
+2HA
H
N

*

NH

N

N

*

n

+

A-

EMERALDINE BASE (EB)
+2e, +2HA
H
N

*

H
N

NH

H
N

*

n

LEUCOEMERALDINE (LE)

Hình 1.2.Các hình thức chuyển đổi giữa các dạng PANi [13].
1.1.2.3. Khả năng tích trữ năng lượng
PANi ngoài khả năng dẫn điện nó còn có khả năng tích trữ năng lượng
cao do vậy người ta sử dụng làm vật liệu chế tạo nguồn điện thứ cấp. Ví dụ:
Trong ắc quy, tụ điện. PANi có thể thay thế MnO2 trong pin do MnO2 là chất
độc hại với môi trường. Ngoài ra pin dùng PANi có thể dùng phóng nạp nhiều
lần. Đây là ứng dụng có nhiều triển vọng trong công nghiệp năng lượng.
Cơ chế của quá trình phong nạp của ắc quy Zn/PANi cũng tương tự như
Zn/MnO2[15].
Tại cực âm: Zn Zn2+ + 2eTại cực dương:
H

H

N+

N+

Cl-

Cl- x

+ 2e-

H

H

N

N

+ 2Clx

Phản ứng tổng hợp:
H

H

N+

N+

-

-

Cl

+ 2e- +Zn2+

Cl x

H

H

N

N

+ ZnCl2
x

6


1.1.2.4. Khả năng bảo vệ và chống ăn mòn kim loại [2]
 Cơ chế bảo vệ anôt
Do polyanilin có điện thế mạch hở dương hơn kim loại kiềm nên
polyanilin đóng vai trò là điện cực dương, lúc đầu kim loại bị hòa tan nhanh
trong dung dịch tạo màng thụ động, màng oxit không cho kim loại tan tiếp.
 Cơ chế che chắn
Cũng như tất cả các màng che phủ bảo vệ khác, màng polyanilin trên bề
mặt kim loại có khả năng che chắn ngăn cản quá trình vận chuyển vật chất,
quá trình khuếch tán, hạn chế tốc độ phản ứng hóa học hòa tan kim loại, phản

ứng oxi hóa bởi oxi không khí.
 Cơ chế ức chế
Polyanilin có nhóm chức hoạt hóa với cặp điện tử tự do, tạo điều kiện
thuận lợi cho khả năng hấp phụ và nâng cao khả năng chống ăn mòn.
Tính ưu việt là ở chỗ bề mặt thép vẫn được bảo vệ cả sau khi bỏ toàn bộ
màng PANi.
Khi màng phủ có khuyết tật, bề mặt kim loại có thể tiếp xúc với môi
trường có oxi, nước, PANi có vai trò chất oxi hóa tạo oxit Fe3+. Màng oxit sắt
phủ kín bề mạt kim loại bị hở tạo nên một bari thụ động bền bảo vệ chống ăn
mòn kim loại.
1.1.3. Phƣơng pháptổng hợp PANi
Trong các polyme dẫn thì PANi được quan tâm nhiều nhất. Một trong
các lý do là khả năng tổng hợp đơn giản, sản phẩm thu được có tính bền nhiệt,
bền môi trường.
PANi có thể được tạo ra trong dung môi nước hoặc dung môi không
nước sản phẩm tạo ra ở dạng Emeraldin màu đen, cấu trúc của nó ngày nay
vẫn còn là vấn đề cần nghiên cứu.

7


Dạng cơ bản của PANi ứng với trạng thái oxy hóa của nó là Emeraldin
và được coi là chất cách điện, độ dẫn điện của nó là= 10-10 S/cm
PANi có thể được tổng hợp bằng con đường điện hóa hoặc hóa học,
trong đó phương pháp điện hóa có nhiều ưu điểm hơn. Tuy nhiên để sản xuất
với mục đích chế tạo vật liệu dạng bột với lượng lớn thì phương pháp hóa học
được sử dụng nhiều hơn [6].
1.1.2.1. Tổng hợp bằng phương pháp điện hóa [8]
Màng polyme được hình thành trong một bình điện giải, trong đó chất
điện giải là monome anilin và dopan được hoà tan trong nước hay dung môi

thích hợp. Tại anot monome bịkết hợp dopan và đồng thời trùng hợp thành
màng.
Các giai đoạn xảy ra:
 Khuếch tán và hấp thụ anilin.
 Oxy hóa anilin.
 Hình thành polyme trên bề mặt điện cực.
 Ổn định màng polyme.
Các giai đoạn nào chậm sẽ quyết định đến tốc độ quá trình. Các quá trình
trên thì các giai đoạn khuếch tán và giai đoạn hấp phụ quyết định đến quá
trình tạo polyme. Trong quá trình polyme hóa các phân tử monome trong
dung dịch điện ly sẽ được oxi hóa trên bề mặt điện cực dưới tác dụng củadòng
điện chạy qua, polyme được hình thành phủ lên bề mặt điện cực. Tốc độ phủ
lên bề mặt điện cực phụ thuộc vào thế đặt vào và nồng độ các chất trong bình
phản ứng.
Theo cơ chế tổng hợp điện hóa trên, có 2 giai đoạn liên quan trực tiếp tới
phản ứng điện cực:
 Khuếch tán và hấp phụ, phụ thuộc trực tiếp vào nồng độ monome.
 Oxy hóa anilin, phụ thuộc nồng độ anilin và sự phân cực điện hoá.

8


Có 3 phương pháp phân cực điện hoá chính để chế tạo PANi:
 Phương pháp chu kỳ Von-Ampe (Cyclic voltamertry, CV): Điện thế
phân cực đư ợc quét tuyến tính tuần hoàn, từ điện thế E1 tới điện thế E2 và
ngược lại, theo thời gian với vận tốc quét không đổi, dòng điện phản hồi được
ghi lại để thiết lập đường cong i-E.
 Phương pháp phân cực thế tĩnh (Potentiostatic, PS): Là phương pháp
áp điện thế không đổi E và đo dòng phản hồi theo thời gian, thiết lập đường
cong phân cực i-t.

 Phương pháp phân cực dòng tĩnh (Galvanostatic, GS): Áp dòng điện
không đổi lên mẫu và đo điện thế điện cực E theo thời gian, thiết lập đường
cong phân cực E- t.
 Phương pháp xung dòng: Là đo sự phụ thuộc của điện thế tại một giá
trị dòng không đổi hoặc dòng được biến đổi theo một qui luật xác định.

9


Hình 1.3.Sơ đồ về sự hình thành PANi bằng con đường điện hóa[5].
Phương pháp điện hóa có ưu điểm là độ tinh khiết của sản phẩm rất cao
và quá trình điện hóa đều xảy ra trên bề mặt điện cực.

10


Trong phương pháp điện hóa các phân tử monome trong dung dịch điện
ly sẽ được oxi hóa trên bề mặt điện cực dưới tác dụng của dòng điện.
1.1.2.2. Tổng hợp bằng phương pháp hoá học
H
N
H

C-(O)
-H+,e-

H

H

N C-

N C-

H

H

H
N CH
H

H

H

H

N C-

N C-

N

N

+

H

H

H
+ -

(O) -H ,e

H

H

N

N

H
N

N

H
H
N
H

+

H

H

H

N

N

H

NH2

(O) eH

H

N

N
H

H
N

H

H

H

N

N

N

H

N
PANi
-H+

Hình 1.4.Sơ đồ tổ ng hợp PANi bằ ng phương pháp hóa học [14].
Phương pháp hóa học được sử dụng rộng rãi để chế tạo vật liệu dạng bột
với lượng lớn. Người ta thường sử dụng amoni pesunfat làm chất oxi hóa
trong quá trình tổng hợp PANi và nhờ nó mà có thể tạo ra polyme có khối
lượng phân tử lớn và độ dẫn điện tối ưu hơn so với các chất oxi hóa khác.
Phản ứng trùng hợp anilin xảy ra trong môi trường axit (H2SO4, HCl,

11


HClO4…) hay môi trường có hoạt chất oxi hóa như các tetrafluoroborat khác
nhau (NaBF4, NO2BF4, Et4NBF4) [14]. Tác nhân oxi hóa, bản chất của môi
trường điện ly và nồng độ của chúng có ảnh hưởng rất lớn đến các tính chất lý
hóa của PANi.
Quá trình tạo PANi bắt đầu cù ng với quá trình tạo gốc cation anilinium,
đây là giai đoạn quyết định tốc độ của quá trình. Hai gốc cation kết hợp lại để
tạo ra Nphenyl-1,4-phenylendiamine hoặc gốc không mang điện sẽ kết hợp
với gốc cation anilinium tạo thành dạng trime, trime này dễ dàng bị oxi hóa
thành một gốc cation mới và lại dễ dàng kết hợp với một gốc cation anilinium

khác để tạo thành dạng tetrame. Phản ứng chuỗi xảy ra liên tiếp cho đến khi
tạo thành polyme có khối lượng phân tử lớn. Bản chất của phản ứng polyme
hóa này là tự xúc tác [15,19,20,21].
Ưu và nhược điểm của quá trình tổng hợp PANi bằng phương pháp hóa
học [18,2].
 Ưu điểm:
- Tốc độ polyme hóa nhanh, khối lượng lớn.
- PANi sinh ra có kích thước hạt nhỏ, mịn đồng đều.
- Thời gian tổng hợp ngắn, hiệu suất lớn.
- Dụng cụ, phương pháp tổng hợp đơn giản, dễ làm.
 Nhƣợc điểm:
Polyanilin tổng hợp bằng phương pháp hóa học có độ đồng nhất không
cao. Không bám dính trực tiếp lên bề mặt kim loại cần phải trộn với phụ gia
bám dính.
1.1.4. Ứng dụng của polyanilin
Do những tính ưu việt của PANi nên nó được ứng dụng vô cùng rộng rãi
trong công nghiệp: Chế tạo điện cực của pin, thiết bị điện sắc, cố định enzim,
chống ăn mòn kim loại, xử lý môi trường [16].

12


Nhờ tính dẫn điện mà PANi có thể thay thế một số vật liệu truyền thống
như: Silie, gecman đắt tiền, hiến. Nhờ tính bản dẫn mà người ta sử dụng vào
việc chế tạo các thiết bị điện, điện tử: Điôt, tranzito, linh kiện bộ nhớ, tế bào
vi điện tử [17]. Ngoài ra nó còn cá khả năng tích trữ năng lượng nên có thể sử
dụng làm 2 bản điện cực, tụ điện.
Màng PANi có thể tồn tại ở trạng thái oxi hóa khử khác nhau tương ứng
với các màu sắc khác nhau phụ thuộc vào pH của dung dịch điện li và thế đặt
vào. Nhờ tính chất này màng PANi phủ lên vật liệu vô cơ như: Al, Pt, Fe…để

tạo ra linh kiện hiển thị điện sắc gồm 2 điện cực [13].
PANi còn có ứng dụng rộng rãi trong việc bảo vệ kim loại. Do khả năng
bám dính cao, có điện thế dương nên màng PANi có khả năng chống ăn mòn
cao, có triển vọng khả quan thay thế một số loại màng phủ gây độc hại ô
nhiễm môi trường…PANi bảo vệ kim loại chủ yếu theo cơ chế bảo vệ anot,
cơ chế che chắn, cơ chế ức chế. Đặc điểm chung của các cơ chế này là do thế
của PANi dương hơn, PANi có vai trò như cực dương làm cho các kim loại bị
hòa tan nhanh chóng trong giai đoạn đầu tạo khả năng thụ động mạnh, tạo
màng oxit bảo vệ không cho nền kim loại bị hòa tan tiếp. Bằng thực nghiệm,
các nghiên cứu gần đây đã cho thấy Pernigranlin màu xanh thẫm – trạng thái
oxi hóa cao nhất của PANi có thể chống lại sự tấn công của axit hay môi
trường ăn mòn [4,8].
Polyme có thể sử dụng để chế tạo sensor khí dựa trên nguyên lí sự thay
đổi điện trở thông qua quá trình hấp thụ khí trên bề mặt điện cực.
Ngoài ra do PANicó khả năng hấp thụ kim loại nặng nên người ta có thể
dùng nó để hấp thụ các kim loại nặng có trong nước thải công nghiệp cũng
như nước thải dân dụng.
Một trong các ứng dụng quan trọng khác của PANi là làm vật liệu cho
nguồn điện. Acquy polyme thường có năng lượng, chu kỳ phóng nạp cao. Nó

13


rất bền nhiệt, bền môi trường, hoạt động điện hóa rất thuận nghịch và đặc biệt
trong quá trình oxi hóa không bị hòa tan ra, cũng như trong quá trình khử
không tạo ra sản phẩm kết tủa trên bề mặt polyme [7]. Điện cực polyme có
thể đóng vai trò anot hay catot trong acquy.
1.2. Bã cafe
1.2.1. Phân loại khoa học cây cafe
- Giới:

Plantae

- Ngành:

Magnoliophyta

- Lớp:

Magnoliopsida

- Bộ:

Gentianales

- Họ:

Rubiaseae Coffea

- Chi:

Coffea

(a)

(b)
Hình 1.5. Hạt cafe.
(a) hạt cafe chín trên cây, (b) hạt cafe thành phẩm

1.2.2. Tình hình trồng và sản xuất cafe ở Việt Nam

Cafe Việt Nam hiện được xuất khẩu dưới hai dạng: Cafe xanh nguyên
liệu và cafe chế biến và đứng thứ hai thế giới về lượng xuất khẩu, chỉ sau
Barzil. Cafe Việt Nam đang có mặt ở tất cả các châu lục, là thành viên quan
trọng của Hiệp hội Cafe thế giới (ICO). Trong vài năm gần đây, trung bình cả
nước xuất khẩu được khoảng 160 tấn cafe rang.

14


1.2.3. Giới thiệu về bã cafe
Diện tích trồng cafe nước ta ngày càng được mở rộng trong vài năm trở
lại đây. Theo Bộ Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn (NN&PTNT), diện
tích trồng cafe tăng 8% trong năm 2012 đạt mức 616.000 ha so với 571.000
năm 2011 và sản lượng đạt 1,49 triệu tấn. Diện tích trồng cafe nước ta năm
2014 ước tính vào khoảng 653.000 ha, tăng 2% so với năm 2013 (633.000
ha). Tuy nhiên, thực tế diện tích gieo trồng có thể vượt quá 660.000 ha. Sản
xuất cafe nước ta tăng đều đặn trong vòng 3 năm gần đây.
Chính vì thế cafe là một tiềm năng rất lớn, chung ta có thể tận dụng, tái
chế bã cafe để đem lại những lợi ích về kinh tế, xã hội, và còn có ý nghĩa
quan trọng trong việc bảo vệ môi trường.
Bã cafe là một vật liệu liginxelulozơ, có khả năng tách kim loại nặng hòa
tan và màu trong nước nhờ vào cấu trúc xốp và thành phần xelulozơ. Các nhóm
hydroxyl trên xelulozơ đóng vai trò quan trọng trong khả năng trao đổi ion,
nhóm hydroxyl này có khả năng trao đổi yếu vì liên kết OH phân cực không
mạnh. Nhiều biện pháp biến tính đã được công bố như oxy hóa các nhóm
hydroxyl thành các nhóm chức axit hoặc sunfo hóa bằng axit sunfuric [20].
Bảng 1.2.Thành phần hóa học của cafe [23].
Thành phần

% khối lƣợng

Nước

10-12%

Chất khoáng (chủ yếu là kali, Nitơ, Magie,
Photpho, Chlo)
Glucid

3-5%
1/2 tổng số chất khô

Protein

9-11%

Lipid

0-13%

Caffein

1-3%

Xenlulozơ

10-20%

Lignin

4%

15


1.3. Xử lí môi trƣờng bằng PANi và bã cafe
1.3.1. Xử lí môi trƣờng bằng PANi
Hiện nay PANi được ứng dụng rất rộng rãi ở các lĩnh vực khác nhau
như: Chế tạo các linh kiện và thiết bị điện tử, thiết bị điện sắc, sensor điện
hóa, chắn sóng điện từ, chống ăn mòn kim loại, xử lý môi trường, vật liệu
trong nguồn điện,…
Nhờ tính bán dẫn mà người ta có thể sử dụng PANi vào việc chế tạo các
thiết bị điện, điện tử: Điốt, tranzito, linh kiện bộ nhớ, tế bào vi điện tử,…
Ngoài ra polyme dẫn còn khả năng tích trữ năng lượng nên có thể sử dụng
làm hai bản điện cực trong tụ điện hoặc siêu tụ.
Màng PANi có thể tồn tại ở các trạng thái oxi hóa khử khác nhau tương
ứng với các màu sắc khác nhau tùy thuộc vào pH của dung dịch điện ly và
điện thế đặt vào. Nhờ tính chất này màng PANi phủ lên vật liệu vô cơ như:
Al, Fe, Pt,… để tạo ra linh kiện hiển thị điện sắc gồm hai điện cực.
PANi có thể sử dụng để chế tạo sensor khí dựa trên nguyên lý sự thay
đổi điện trở của màng polyme qua quá trình hấp phụ khí trên bề mặt điện cực,
ví dụ sensor amoniac. Tại các giá trị pH khác nhau thì PANi tồn tại ở các
trạng thái khác nhau tương ứng với các điện thế khác nhau. Dựa vào tính chất
này có thể ứng dụng PANi làm sensor đo pH. Ngoài ra PANi được pha tạp
thêm một số chất khác để ứng dụng làm các loại sensor khác nhau như sen sơ
chọn lọc ion, sensor xác định metanol, etanol ở trạng thái hơi, sensor độ ẩm,...
PANi còn có ứng dụng rộng rãi trong việc bảo vệ chống ăn mòn kim
loại. Do khả năng bám dính cao, có điện thế dương nên màng PANi có khả
năng chống ăn mòn cao, có triển vọng thay thế một số màng phủ gây độc
hại, 24 ô nhiễm môi trường. PANi bảo vệ kim loại chủ yếu theo cơ chế bảo

vệ anôt, cơ chế che chắn, cơ chế ức chế. Bằng thực nghiệm, các nghiên cứu
gần đây đã cho thấy dạng Pernigranilin màu xanh thẫm – trạng thái oxi hóa

16