Nghiên cứu xử lý môi trường nhiễm Cu2+, Pb2+ bằng vật liệu Bã chè - Bã cafe - PANi

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HOÁ HỌC
---------------------

TRẦN THỊ THU HIỀN

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ MÔI TRƢỜNG
NHIỄM Cu2+, Pb2+ BẰNG VẬT LIỆU
BÃ CHÈ - BÃ CAFE - PANi

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: Hóa lý
Ngƣời hƣớng dẫn khoa học
TS. NGUYỄN THẾ DUYẾN

HÀ NỘI – 2017


Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

LỜI CẢM ƠN
Lời đầ tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc của mình tới TS.
Nguyễn Thế Duyến - giảng viên khoa Hóa Học, trƣờng Đại học Sƣ phạm Hà
Nội 2 đã giao đề tài và tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ em rất nhiều trong suốt
quá trình nghiên cứu để hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này.
Em xin trân trọng cảm ơn các thầy cô trong Khoa Hóa Học – Truờng
Đại Học Sƣ Phạm Hà Nội 2 đã tạo điều kiện thuận lợi cho em trong thời gian
học tập và nghiên cứu tại truờng.
Cuối cùng em xin bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình, bạn bè, ngƣời thân

đã động viên và giúp đỡ em trong quá trình làm khóa luận này.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày....tháng....năm 2017
Ngƣời thực hiện

Trần Thị Thu Hiền


Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

MỤC LỤC
DANH MỤC VIẾT TẮT ................................................................................. iii
DANH MỤC CÁC BẢNG............................................................................... iv
DANH MỤC CÁC HÌNH ................................................................................. v
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1
1. Lý do chọn đề tài ....................................................................................... 1
2. Mục tiêu nghiên cứu.................................................................................. 2
3. Nội dung nghiên cứu ................................................................................. 2
4. Phƣơng pháp nghiên cứu........................................................................... 2
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn................................................................... 2
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ............................................................................. 3
1.1. Giới thiệu về polyanilin (PANi)............................................................. 3
1.1.1. Cấu trúc phân tử của polyanilin ...................................................... 3
1.1.2 Tính chất của polyanilin ................................................................... 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 lƣợng ................................................. 5
1.1.2.4. Khả năng bảo vệ và chống ăn mòn kim loại ............................ 5

1.1.3. Phƣơng pháp tổng hợp PANi .......................................................... 6
1.1.3.1. Tổng hợp bằng phƣơng pháp điện hóa .................................... 6
1.1.3.2. Tổng hợp bằng phƣơng pháp hóa học...................................... 7
1.1.4. Ứng dụng của PANi ........................................................................ 9
1.2. Giới thiệu về bã cafe, bã chè ................................................................ 10
1.2.1. Giới thiệu về bã cafe ..................................................................... 10
1.2.2. Giới thiệu về bã chè ...................................................................... 13
1.3. Xử lí môi trƣờng nƣớc bằng phụ phẩm nông nghiệp........................... 16
1.3.1. Xử lí môi trƣờng bằng PANi......................................................... 17
1.3.2. Xử lí môi trƣờng bằng bã cafe ...................................................... 17

Trần Thị Thu Hiền

i

K39A – Sư phạm Hóa học


Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

1.3.3. Xử lí môi trƣờng bằng bã chè ....................................................... 17
CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........ 19
2.1. Đối tƣợng 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. Phƣơng pháp nghiên cứu...................................................................... 20

2.4. Tổng hợp vật liệu ................................................................................. 20
2.4.1. Xử lí bã cafe, bã chè trƣớc tổng hợp ............................................. 20
2.4.2. Tổng hợp vật liệu .......................................................................... 21
2.4.3. hả năng hấp thu của các vật liệu đối với các ion Cu2+, Pb2+ ..... 22
2.4.3.1. Polyanilin ............................................................................... 22
2.4.3.2. Bã cafe .................................................................................... 22
2.4.3.3. Bã chè ..................................................................................... 23
2.4.3.4. Bã chè - Bã cafe - PANi ......................................................... 23
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................. 24
3.1. Khả năng hấp thu của vật liệu .............................................................. 24
3.1.1. Khả năng hấp thu ion Pb2+ ............................................................ 24
3.1.2. Khả năng hấp thu ion Cu2+ ............................................................ 26
3.2. Đánh giá khả năng xử lý ion kim loại .................................................. 28
3.2.1. Vật liệu PANi ................................................................................ 28
3.2.2. Vật liệu bã chè............................................................................... 29
3.2.3. Vật liệu bã cafe.............................................................................. 31
3.2.4. Vật liệu bã chè - bã cafe - PANi ................................................... 32
KẾT LUẬN ..................................................................................................... 35
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 36

Trần Thị Thu Hiền

ii

K39A – Sư phạm Hóa học


Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

DANH MỤC VIẾT TẮT
Chữ viết tắt

Tên tiếng Việt

AAS

Phƣơng pháp phổ hấp thu nguyên tử

PANi

Polyanilin

ANi

Anilin

DDT

Diclo Diphenyl Tricloetan

BC

Bã chè

BCF

Bã cafe

BVTV

Bảo vệ thực vật

PPNN

Phụ phẩm nông nghiệp

NN&PTNT

Nông nghiệp và phát triển nông thôn

Trần Thị Thu Hiền

iii

Tên tiếng Anh
Atomic Absorption
Spectrophotometric
Polyaniline
Aniline
Diclo Diphenyl
Tricloethane

K39A – Sư phạm Hóa học


Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Độ dẫn điện của PANi trong một số môi trƣờng khác nhau ............ 4
Bảng 1.2. Thành phần và hàm lƣợng chính của cây cafe. .............................. 12
Bảng 1.3. Thành phần % khối lƣợng các chất hóa học chính có trong bã
cafe. ................................................................................................. 13
Bảng 3.1. Hàm lƣợng các ion Cu2+, Pb2+ sau thời gian t (vật liệu PANi)....... 29
Bảng 3.2. Hàm lƣợng các ion Cu2+, Pb2+ sau thời gian t (vật liệu bã chè). .... 30
Bảng 3.3. Hàm lƣợng các ion Cu2+, Pb2+ sau thời gian t (vật liệu bã cafe). ... 31
Bảng 3.4. Hàm lƣợng các ion Cu2+, Pb2+ sau thời gian t (vật liệu bã chè bã cafe - PANi). .............................................................................. 32

Trần Thị Thu Hiền

iv

K39A – Sư phạm Hóa học


Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Công thức tổng quát của polyanilin .................................................. 3
Hình 1.3. Sơ đồ tổng hợp PANi bằng phƣơng pháp hóa học .. ........................ 8
Hình 1.4. Hình ảnh bã cafe.............................................................................. 11
Hình 1.5. Hình ảnh bã chè ............................................................................... 15
Hình 3.1. Sự phụ thuộc của nồng độ chất hấp thu ion Pb2+ theo thời gian
đối với các vật liệu. Nồng độ ban đầu Co = 20 mg/L, pH = 7. ....... 25
Hình 3.2. Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp thu ion Pb2+ theo thời gian của

các vật liệu. Nồng độ ban đầu Co = 20 mg/L, pH = 7..................... 25
Hình 3.3. Sự phụ thuộc của nồng độ chất hấp thu ion Cu2+ theo thời gian
đối với các vật liệu. Nồng độ ban đầu Co = 20 mg/L, pH = 7 ........ 27
Hình 3.4. Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp thu ion Cu2+ 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 polyanilin (PANi) vào thời
gian đối với các ion kim loại nặng ở pH=7. ................................... 29
Hình 3.6. Sự phụ thuộc của nồng độ vật liệu bã chè (BC) vào thời gian
đối với các ion kim loại nặng ở pH=7. ........................................... 30
Hình 3.7. Sự phụ thuộc của nồng độ vật liệu bã cafe (BCF) vào thời gian
đối với các ion kim loại nặng ở pH=7. ........................................... 31
Hình 3.8. Sự phụ thuộc của nồng độ vật liệu BC - BCF - PANi vào thời
gian đối với các ion kim loại nặng ở pH=7. ................................... 32
Hình 3.9. Mô hình xử lí nƣớc ô nhiễm sử dụng vật liệu bã chè - bã cafe PANi tự chế tạo. .............................................................................. 34

Trần Thị Thu Hiền

v

K39A – Sư phạm Hóa học


Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Trong lĩnh vực polyme các nhà khoa học chú ý nhiều tới polyme dẫn
điện. Các polyme dẫn nhƣ polyanilin, polythiophen, polypyrol,… đã gắn liền

với nhiều ứng dụng thực tế nhƣ làm các linh kiện điện tử, làm màng sơn bảo
vệ kim loại… trong số các polyme dẫn thì polyanilin là một trong số các
polyme dẫn đƣợc nhiều nhà khoa học quan tâm và nghiên cứu bởi khả năng
tổng hợp đơn giản, nguồn nguyên liệu sẵn có và có cấu trúc đặc biệt.
Những năm gần đây bã cafe, bã chè đƣợc thải ra từ những nghành công
nghiệp sản xuất nƣớc giải khát ngày một tăng nhanh. Trong khi đó bã cafe, bã
chè là một vật liệu lignoxenlulozo, có thành phần xenlulozo có khả năng tách
kim loại nặng hòa tan trong nƣớc nhờ vào cấu trúc xốp và thành phần của
chúng.
Hiện nay ở Việt Nam tình trạng ô nhiễm nƣớc là vấn đề rất đáng lo ngại
và nƣớc nhiễm kim loại nặng là một trong những vấn đề cấp thiết. Nƣớc mặt
bị ô nhiễm sẽ lan truyền các chất ô nhiễm vào đất, vào nƣớc ngầm và các
thành phần môi trƣờng liên quan khác. im loại nặng tích luỹ theo chuỗi thức
ăn thâm nhập vào cơ thể ngƣời. Các kim loại này có tính độc hại cao gây tác
hại xấu đến sinh vật và con ngƣời. Do đó, việc tách các ion Cu2+ và Pb2+ ra
khỏi các nguồn nƣớc, đặc biệt là nƣớc thải công nghiệp, nông nghiệp là một
trong những vấn đề môi trƣờng quan trọng cần phải giải quyết.
Với các lí do trên em chọn đề tài: “Nghiên cứu xử lý môi trƣờng
nhiễm Cu2+, Pb2+ bằng vật liệu Bã chè - Bã cafe - PANi” mong muốn đƣa
ra biện pháp xử lý các ion Cu2+, Pb2+ trong nƣớc thải bằng vật liệu đƣợc tổng
hợp từ những nguyên liệu có sẵn, phong phú và thân thiện với môi trƣờng.

Trần Thị Thu Hiền

1

K39A – Sư phạm Hóa học


Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

2. Mục tiêu nghiên cứu
Đánh giá khả năng xử lý các ion kim loại nặng Cu2+, Pb2+ trong môi
trƣờng nƣớc bằng vật liệu bã chè - bã cafe - PANi.
So sánh khả năng xử lý của vật liệu đối với từng ion kim loại nặng.
3. Nội dung nghiên cứu
Khảo sát sự hấp thu các ion kim loại Cu2+, Pb2+ của các vật liệu hấp thu
bã chè - bã cafe - PANi.
Khảo sát ảnh hƣởng của thời gian, nồng độ ion Cu2+, Pb2+, khối lƣợng
chất hấp thu đến khả năng hấp thu các ion Cu2+, Pb2+ của vật liệu.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
Phƣơng pháp phổ hấp thụ nguyên tử AAS để xác định nồng độ của
nguyên tố trong dung dịch.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Khảo sát sự hấp thu các ion kim loại nặng Cu2+, Pb2+ trong nƣớc thải
bằng vật liệu đƣợc tổng hợp từ các nguyên liệu có sẵn, phong phú, thân thiện
với môi trƣờng là bã chè - bã cafe - PANi.

Trần Thị Thu Hiền

2

K39A – Sư phạm Hóa học


Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu về polyanilin (PANi)
Các hợp chất của polyanilin đã đƣợc phát hiện 150 năm trƣớc đây,
nhƣng chỉ có từ năm 1980, polyanilin mới bắt đầu đƣợc sự chú ý bởi tính
chất dẫn điện. Trong số họ polyme dẫn điện và chất bán dẫn hữu cơ,
polyanilin là chất dễ dàng tổng hợp nhất, môi trƣờng ổn định. Mặc d các
phƣơng pháp tổng hợp polyanilin tƣơng đối đơn giản, nhƣng nó lại có cơ chế
tr ng hợp và quá trình oxy hóa khá phức tạp. Nhờ có nhiều tính ƣu việt, nên
polyanilin là một trong những polyme đƣợc nghiên cứu nhiều nhất trong 50
năm gần đây. Polyme dẫn đƣợc 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 polyanilin
Polyanilin là sản phẩm cộng hợp của nhiều phân tử anilin trong điều kiện
có mặt tác nhân oxi hóa làm xúc tác.
Công thức tổng quát của polyanilin gồm hai nhóm cấu trúc m và n nhƣ
sau [7] :

Hình 1.1. Công thức tổng quát của polyanilin

Trần Thị Thu Hiền

3

K39A – Sư phạm Hóa học

Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

m, n = 0, 1, 2, 3...
- Với n

0: Pernigraniline màu xanh thẫm)

- Với m

0: eucoemeraldine màu vàng .

- Với n

m

1: Emeraldine (có màu xanh)

Ba trạng thái cơ bản: pernigralin, leucoemeraldin, emeraldin do
đƣợc hoạt hóa cao của nhóm (NH- , PANi thƣờng tạo muối với các axit
thành dạng emeraldin có tính chất dẫn điện tốt.
PANi ở các dạng khác nhau thì khác nhau về tính chất hóa học,
c ng nhƣ tính chất vật lý.
1.1.2 Tính chất của polyanilin
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 nên nó là hợp chất hữu cơ dẫn điện. Chúng bền
nhiệt có độ từ cảm và tính bán dẫn. PANi có thể tồn tại cả ở trạng thái cách
điện và cả ở trạng thái dẫn điện. Trong trạng thái muối emeraldin có độ dẫn

điện cao nhất và ổn định nhất.
Bảng 1.1: Độ dẫn điện của PANi trong một số môi trƣờng khác nhau

Axit

Độ dẫn điện
(S/cm).10-2

Độ dẫn điện

Axit

(S/cm).10-2

H2SO4

9,72

H2SO3

8,44

HCl

9,14

HClO4

8,22

HNO3

8,63

H2C2O4

7,19

Trần Thị Thu Hiền

4

K39A – Sư phạm Hóa học


Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

Độ dẫn điện của PANi tùy thuộc vào pH và trạng thái doping vào mạch
polyme. Tính dẫn điện của PANi sẽ tăng khi ta doping vào mạch polyme
những ion lạ (ví dụ Cl-, Br-, I-, ClO4-...). Nguyên nhân dẫn đến sự tăng độ dẫn
điện là do khi ta doping vào mạch PANi những ion lạ đó thì chúng chuyển
sang dạng muối làm tăng tính dẫn của PANi.
1.1.2.2. Tính điện sắc [14]
PANi có tính điện sắc vì màu của nó thay đổi do phản ứng oxi hóa khử
của màng. Khi cài thêm các chất khác thì sự thay đổi màu sắc của PANi đa
dạng hơn.
Ví dụ: cài thêm ion Cl- thì màu sắc của PANi có thể thay đổi từ màu
vàng (trạng thái khử) sang màu xanh (trạng thái oxi hóa).

Nhờ vào tính điện sắc đó ta có thể quan sát và hiểu đƣợc trạng thái tồn tại
của PANi ở môi trƣờng nào.
1.1.2.3. Khả năng tích trữ năng lượng [12,17]
Ngoài khả năng dẫn điện PANi còn có khả năng tích trữ năng lƣợng
cao do vậy ngƣời ta sử dụng làm vật liệu chế tạo nguồn điện thứ cấp. Ví dụ: ắc
quy, tụ điện. PANi có thể thay thế MnO2 trong pin do MnO2 là chất độc hại với
môi trƣờng. Ngoài ra pin dùng PANi có thể dùng phóng nạp nhiều lần. Đây là
ứng dụng có nhiều triển vọng trong nghành công nghiệp năng lƣợng.
1.1.2.4. Khả năng bảo vệ và chống ăn mòn kim loại
- Cơ chế bảo vệ anôt
Do polyanilin có điện thế mạch hở dƣơng hơn kim loại kiềm nên
polyanilin đóng vai trò là điện cực dƣơng, 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

Trần Thị Thu Hiền

5

K39A – Sư phạm Hóa học


Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

C ng nhƣ 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 ƣu
việt là ở chỗ bề mặt thép vẫn đƣợc bảo vệ cả sau khi bỏ toàn bộ màng PANi.
2A- + 2H2O ← 1/2H2O + 2H+AKhi màng phủ có khuyết tật, bề mặt kim loại có thể tiếp xúc với môi
trƣờng có oxi, nƣớc, PANi có vai trò chất oxi hóa tạo oxit Fe(III). Màng oxit
sắt phủ kín bề mạt kim loại bị hở tạo nên một barie thụ động bền bảo vệ
chống ăn mòn kim loại.
1.1.3. Phƣơng pháp tổng hợp PANi
PANi đƣợc tổng hợp theo hai phƣơng pháp là phƣơng pháp hóa học và
phƣơng pháp điện hóa trong đó phƣơng pháp điện hóa có nhiều ƣu điểm hơn,
tuy nhiên để sản xuất với mục đích chế tạo vật liệu dạng bột với lƣợng lớn thì
phƣơng pháp hóa học đƣợc sử dụng nhiều hơn. Ở đây ta quan tâm đến
phƣơng pháp tổng hợp bằng con đƣờng hóa học.
1.1.3.1. Tổng hợp bằng phương pháp điện hóa
Ƣu điểm của phƣơng pháp điện hóa là có độ tinh khiết cao, tất cả các
quá trình hóa học đều xảy ra trên bề mặt điện cực.
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.

Trần Thị Thu Hiền

6

K39A – Sư phạm Hóa học

Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

Theo các giai đoạn trên có hai cơ chế liên quan trực tiếp đến phản ứng đó
là: giai đoạn khuyếch, phụ thuộc trực tiếp vào nồng độ monome và giai đoạn
oxi hóa anilin phụ thuộc vào nồng độ anilin đồng thời vào phân cực điện hóa.
Bằng phƣơng pháp điện hóa ta có thể tạo ra các polyanilin có tính chất
khác nhau tùy theo nhu cầu ứng dụng. Trong quá trình điện hóa, anilin đƣợc
hòa tan trong dung dịch điện ly sẽ bị oxi hóa tạo màng polyanilin phủ trên bề
mặt mẫu. Polyanilin đƣợc tạo ra trực tiếp trên bề mặt điện cực, bám dính cao.
Nhƣ vậy, có thể tạo trực tiếp polyanilin lên mẫu kim loại cần bảo vệ, đây
chính là một ƣu điểm của phƣơng pháp tổng hợp polyanilin bằng điện hóa.
Việc tiến hành tổng hợp polyanilin đƣợc tiến hành trong môi trƣờng axit thu
đƣợc polyanilin dẫn điện tốt. Trong môi trƣờng kiềm polyanilin không dẫn
điện, sản phẩm có khối lƣợng phân tử thấp. Trong môi trƣờng axit, anilin tạo
muối nên tan khá tốt trong axit.
Nhƣợc điểm: ở phƣơng pháp này có một điểm bất lợi về mặt tốc độ
polyme hóa, thời gian tạo màng ứng với thời gian tồn tại điện thế mà tại đó
xảy ra phản ứng oxi hóa điện hóa monome, thời gian này tƣơng đối ngắn. Do
đó dẫn đến hiệu suất không cao.
1.1.3.2. Tổng hợp bằng phương pháp hóa học
 Polyme hóa anilin bằng phƣơng pháp hóa học
Phƣơng pháp polyme hóa anilin theo con đƣờng hóa học đã đƣợc biết
đến từ lâu và đƣợc ứng dụng rộng rãi trong thực tế.
Quá trình tổng hợp PANi đƣợc diễn ra trong sự có mặt tác nhân oxy hóa
làm xúc tác. Ngƣời ta thƣờng sử dụng amonipesunfat (NH4)2S2O8 làm chất oxy
hóa trong quá trình tổng hợp PANi và nhờ nó mà có thể tạo đƣợc polyme có
khối lƣợng phân tử rất cao và độ dẫn tối ƣu hơn so với các chất oxi hóa khác.

Trần Thị Thu Hiền

7

K39A – Sư phạm Hóa học


Đại học Sư phạm Hà Nội 2

H
N
H

Khóa luận tốt nghiệp

H

C-(O)

H

N C

-H+,e-

-

N C-

H

H

H
N CH
H

H
-

N C

+

N C

-

H

H

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 1.2. Sơ đồ tổng hợp PANi bằng phương pháp hóa học.
Phản ứng trùng hợp các monome anilin xảy ra trong môi trƣờng axit
(H2SO4, HCl, HClO4... hay môi trƣờng các hoạt chất oxy hóa nhƣ các chất tetra
flouroborat khác nhau (NaBF4, NO2BF4, Et4NBF4). Trong những hệ PANiNaBF4, PANi-NO2BF4, PANi-Et4NBF4, do tính chất thủy phân yếu của các

Trần Thị Thu Hiền

8

K39A – Sư phạm Hóa học


Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

cation nên anion sẽ thủy phân tạo ra HBF4, HBF4 đóng vai trò nhƣ một tác nhân
proton hóa rất hiệu quả đƣợc sử dụng để làm tăng độ dẫn của polyme [12].
Quá trình tạo PANi bắt đầu cùng với quá trình tạo gốc cation anilium,

đây là giai đoạn quyết định tốc độ của quá trình. Hai gốc cation kết hợp lại để
tạo N - phenyl - 1,4 - phenylenediamin hoặc không mang điện sẽ kết hợp với
gốc cation anilium tạo thành dạng trime, trime này dễ dàng bị oxy hóa thành
một gốc cation mới và lại dễ dàng kết hợp với một gốc cation anilium khác để
tạo thành dạng tetrame. Phản ứng chuỗi xảy ra liên tiếp cho đến khi tạo thành
polyme có khối lƣợng phân tử lớn. Bản chất của phản ứng polime hóa này là
tự xúc tác [4, 5].
 Ƣu và nhƣợc điểm của phƣơng pháp hóa học
 Ƣu điểm:
- Tốc độ polyme hóa nhanh, khối lƣợng lớn.
- PANi sinh ra có kích thƣớc hạt nhỏ, mịn đồng đều.
- Thời gian tổng hợp ngắn, hiệu suất lớn.
- Dụng cụ, phƣơng pháp tổng hợp đơn giản, dễ làm.
 Nhƣợc điểm:
PANi tổng hợp bằng phƣơng 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 PANi
PANi hay một số polyme khác hiện nay đang đƣợc ứng dụng rất rộng rãi
vào tất cả những nghành công nghệ kỹ thuật cao bởi các đặc tính ƣu việt cả
chúng. Hợp chất cao phân tử thƣờng nhẹ, có độ bền nhiệt cao có nhiều những
tính chất đặc biệt nên trong một số trƣờng hợp không dùng vật liệu khác để
thay thế đƣợc.
Màng PANi có thể tồn tại ở các trạng thái oxy hóa khử khác nhau tƣơng
ứng với các màu sắc khác nhau tùy thuộc vào pH của dung dịch điện ly và thế

Trần Thị Thu Hiền

9

K39A – Sư phạm Hóa học

Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

đặt vào... Nhờ tính chất này màng PANi phủ lên vật liệu vô cơ nhƣ: Al, Fe,
Pt... để tạo ra linh kiện hiển thị điện sắc gồm hai điện cực.
Ví dụ: chế tạo màn hình tinh thể lỏng.
PANi còn có ứng dụng rộng rãi trong việc bảo vệ kim loại. Do khả năng
bám dính cao, có điện thế dƣơng nên màng PANi có khả năng chống ăn mòn
cao, có triển vọng khả quan thay thế một số màng phủ gây độc hại, ô nhiễm
môi trƣờng. 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 dƣơng hơn, PANi có vai trò nhƣ cực dƣơng làm cho nền kim loại bị
hòa tan nhanh chóng trong giai đoạn đầu tạo khả năng thụ động mạnh, tạo
màng oxit che phủ bảo vệ không cho nền kim loại bị hòa tan tiếp. Bằng thực
nghiệm, các nghiên cứu gần đây đã cho thấy dạng pemigranilin màu xanh
thẫm - trạng thái oxy hóa cao nhất của PANi có khả năng ngăn chặn sự tấn
công của axit hay môi trƣờng ăn mòn [6, 11].
PANi có thể sử dụng để chế tạo sen sơ khi dựa trên nguyên lý sự thay
đổi điện trở thông qua quá trình hấp thụ khi trên bề mặt điện cực.
Ngoài ra, do PANi có khả năng hấp thụ kim loại nặng nên ngƣời ta có
thể d ng nó để hấp thụ các kim loại nặng có trong nƣớc thải công nghiệp
c ng nhƣ nƣớc thải dân dụng. Để tăng quá trình hấp thụ tăng bề mặt tiếp
xúc) và làm giảm giá thành sản phẩm ngƣời ta phủ lên chất mang nhƣ: m n
cƣa, vỏ lạc, vỏ đỗ, vỏ trứng... (tài nguyên chất thải, có ích, rẻ tiền nên có thể
khai thác sử dụng) một lớp màng PANi mỏng [13].
1.2. Giới thiệu về bã cafe, bã chè
1.2.1. Giới thiệu về bã cafe

Việt Nam có hai v ng đất tiềm năng với khí hậu phù hợp cho sản xuất
cafe. Vùng Tây Nguyên và tỉnh Đồng Nai có đất đỏ bazan rất thuận lợi để trồng
cafe. Việt Nam trồng hai loại cafe chính đó là cafe vối và cafe chè, trong đó

Trần Thị Thu Hiền

10

K39A – Sư phạm Hóa học


Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

diện tích cafe vối chiếm hơn 90% tổng diện tích gieo trồng. Theo số liệu thống
kê ở Tây Nguyên diện tích trồng cafe năm 2009 giảm 474 ha nhƣng sang dến
năm 2010 diện tích trồng cafe tăng lên 8.805 ha, ở Đăk ắc năm 2009 diện tích
trồng cafe là 182.000 ha nhƣng đến năm 2010 thì diện tích tăng lên 190.765 ha,
tăng gần 8800 ha và đến cuối năm 2011 diện tích trồng cafe của tỉnh tới
195.000 ha [27]. Theo 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 lƣợng đạt 1,49 triệu tấn. Diện tích trồng cafe nƣớc ta
năm 2014 ƣớc tính vào khoảng 653.000 ha, tăng 2% so với năm 2013 (633.000
ha). Chính vì vậy cafe là một loại thức uống phổ biến. Thành phần hóa học của
cây cafe phụ thuộc vào chủng loại, độ chín, điều kiện canh tác, phƣơng pháp
chế biến và cách bảo quản đƣợc thể hiện qua bảng 1.2.
Bã cafe là một chất rắn đƣợc tạo ra trong quá trình chế biến thức uống từ
bột cà phê và quá trình sản xuất cà phê hòa tan.

Hình 1.3. Hình ảnh bã cafe.
Trong quá trình chế biến và sử dụng cafe đã thải ra một lƣợng lớn bã cafe.
Chúng bao gồm lá, phần thịt của hạt, bã cafe và bột cafe. Phần lớn lƣợng thịt quả
phế thải từ các nhà máy chế biến cà phê xuất khẩu đều đổ ra sông suối, ao hồ
gây ô nhiễm môi trƣờng nghiêm trọng làm ảnh hƣởng tới sức khỏe con ngƣời.

Trần Thị Thu Hiền

11

K39A – Sư phạm Hóa học


Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

Trong những năm gần đây bã cafe thải ra từ những nghành công nghiệp sản
xuất nƣớc giải khát ngày một tăng nhanh.
Bảng 1.2. Thành phần và hàm lượng chính của cây cafe.
Thành phần

Hàm lƣợng
g/100g

Nƣớc

8 - 12

Chất dầu

4 - 18

Đạm

mg/100g

1,8 - 2,5

Protein

9-16

Caffeine

1 (Arabica), 2 (Robusta)

Trigoneline

2

Chlorogenic axit

1

Tannin

2

Caffetanic axit

8-9

Caffeic axit

1

Pentosane

5

Tinh bột

5 - 23

Saccarozo

5 - 10

Xenlulozo

10 - 20

Hemixenlulozo

20

Lignine

4

Canxi

85 - 100

Photpho

130 - 165

Sắt

3 - 10

Natri

4

Mangan

Trần Thị Thu Hiền

1 - 4,5

12

K39A – Sư phạm Hóa học


Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

Cafe chỉ có 9,5% trọng lƣợng tƣơi là sử dụng cho chất pha chế thức uống
và 90,5% còn lại là chất thải. Ngoài ra số lƣợng hàng quán bán cafe ở Việt
Nam ngày càng nhiều, đây c ng chính là nguồn thải ra một lƣợng lớn bã cafe
mỗi ngày. Thành phần % khối lƣợng các chất hóa học chính có trong bã cafe
đƣợc trình bày ở bảng 1.3:
Bảng 1.3. Thành phần % khối lượng các chất hóa học chính có trong bã cafe.
Thành phần

Hàm lƣợng g/100g

Xenlulozo

10 – 20

Hemixenlulozo

20

Lignine

4

1.2.2. Giới thiệu về bã chè [28]
Tình hình xuất khẩu chè Việt Nam ngày càng tăng cho nên xuất khẩu
chè Việt Nam ngày một tăng thị trƣờng mở rộng hiện nay chúng ta có quan hệ
xuất khẩu chè với khoảng 30 nƣớc trên thế giới.
Sản xuất chè ở Việt Nam tăng ấn tƣợng vào những năm 90, việc mở rộng
diện tích trồng chè góp phần nhiều hơn việc nâng cao sản lƣợng. Tính đến

năm 2003, toàn bộ diện tích trồng chè của Việt Nam là 99.000 ha, trong đó
70% là của các hộ sản xuất nhỏ, còn xấp xỉ 30% là của nhà nƣớc và các liên
doanh. Tỉ lệ nắm giữ của các hộ tiểu chủ tăng mạnh từ năm 1995, khi họ đƣợc
phân đất theo Nghị định 01. Từ năm 1990 đến 2003, sản lƣợng tăng trung
bình 7%/năm, diện tích và lợi nhuận c ng tăng 3,5% và 3,1% mỗi năm.
Ngành chè Việt Nam mang định hƣớng xuất khẩu mạnh mẽ, với xuất
khẩu chiếm 85% sản lƣợng năm 2001/2002, tăng vƣợt bậc từ 30% năm 1991.
Thành phần sinh hóa của chè biến động rất phức tạp nó phụ thuộc vào
giống, tuổi chè, điều kiện đất đai, địa hình, kỹ thuật canh tác, m a thu hoạch...
Những thành phần sinh hóa chủ yếu trong búp chè gồm có:

Trần Thị Thu Hiền

13

K39A – Sư phạm Hóa học


Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

Nước: là thành phần chủ yếu trong búp chè. Trong búp chè hàm lƣợng
nƣớc thƣờng có từ 75 - 82%.
Tanin: là một trong những thành phần chủ yếu quyết định đến phẩm chất
chè. Tanin còn gọi chung là hợp chất fenol, trong đó 90% là các dạng
catechin. Tỷ lệ các chất trong thành phần hỗn hợp của tanin chè không giống
nhau và t y theo từng giống chè mà thay đổi.
Ankaloit: trong chè có nhiều loại ancaloit nhƣng nhiều nhất là cafein.
Hàm lƣợng cafein ở trong chè có từ 3 - 5% thƣờng nhiều hơn cafein ở trong lá

cà phê từ 2 - 3 lần.
Protein và axit amin: protein là hợp chất hữu cơ phức tạp chứa N, phân
bố không đều ở các phần của búp chè và thay đổi t y theo giống, thời vụ, điều
kiện canh tác và các yếu tố khác. Protein kết hợp với một phần tanin làm cho
vị chát và đắng giảm đi. Vì thế trong một chừng mực nào đó, protein có lợi
cho phẩm chất chè xanh. Ngày nay ngƣời ta đã tìm thấy trong chè có 17 axit
amin, các axit amin này kết hợp với đƣờng và tanin tạo thành andehit có m i
thơm của chè đen và làm cho chè xanh khác nhau.
Gluxit và pectin: trong lá chè chứa rất ít gluxit hòa tan, trong khi đó các
gluxit không hòa tan lại chiếm tỷ lệ lớn. Xenlulo và hemixenlulo c ng tăng
lên theo tuổi của lá, vì vậy nguyên liệu càng già chất lƣợng càng kém. Hàm
lƣợng đƣờng hòa tan ở trong chè tuy ít nhƣng rất quan trọng đối với hƣơng vị
chè. Đƣờng tác dụng với protein hoặc axít amin tạo nên các chất thơm.
Diệp lục và các sắc tố khác gần nó: trong lá chè có chứa diệp lục tố,
carotin và xantofin. Các sắc tố này biến động theo giống, theo m a và các
biện pháp kỹ thuật canh tác.
Dầu thơm: ở trong chè rất ít, hàm lƣợng của chúng trong lá chè tƣơi:
0,007% - 0,009% và trong chè bán thành phẩm: 0,024 - 0,025%. Hàm lƣợng

Trần Thị Thu Hiền

14

K39A – Sư phạm Hóa học


Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

dầu thơm trong lá chè, đƣợc tăng dần ở những địa hình cao, tuổi lá quá non
chứa ít hƣơng thơm.
Vitamin: các loại vitamin có trong chè rất nhiều. Chính vì vậy giá trị
dƣợc liệu c ng nhƣ giá trị dinh dƣỡng của chè rất cao. Theo các tài liệu của
Trung Quốc, hàm lƣợng một số vitamin trong chè tính theo mg/1.000g chất
khô nhƣ sau: Vitamin A: 54,6; B1: 0,70; B2: 12,20; PP: 47,0; C: 27,0 v.v...
Men: trong búp chè non có hầu hết các loại men, nhƣng chủ yếu gồm hai
nhóm chính:
- Nhóm thủy phân: men amilaza, glucoxidaza, proteaza và một số men
khác.
- Nhóm ôxi hóa khử: peroxidaza và polifenoloxidaza.
Chất tro: hàm lƣợng tro trong chè tƣơi từ 4-5% và trong chè khô từ 5-6%.
Trong chè, tro chia thành hai nhóm: hòa tan trong nƣớc và không hòa tan trong
nƣớc.

Hình 1.4. Hình ảnh bã chè.
Bã chè, bã cafe là vật liệu lignoxenlulozo, có khả năng tách kim loại
nặng hòa tan và màu trong nƣớc nhờ vào cấu trúc xốp và thành phần
xenlulozo. Các nhóm hydroxy trên xenlulozo đóng vai trò quan trọng trong
khả năng trao đổi ion, nhóm hydroxy này có khả năng trao đổi yếu vì liên kết
OH phân cực không mạnh. Nhiều biện pháp biến tính đã đƣợc công bố nhƣ

Trần Thị Thu Hiền

15

K39A – Sư phạm Hóa học


Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

oxy hóa các nhóm hydroxy thành các nhóm chức axit hoặc sulfon hóa bằng
axit sunfuric.
Vì vậy bã chè, bã cafe là một tiềm năng rất lớn để chúng ta có thể tận
dụng, tái chế đem lại những lợi ích về kinh tế, xã hội, và còn có ý nghĩa quan
trọng trong việc bảo vệ sức khỏe con ngƣời, môi trƣờng.
1.3. Xử lí môi trƣờng nƣớc bằng phụ phẩm nông nghiệp
Nƣớc có vai trò rất cùng quan trọng đối với đời sống của con ngƣời.
Sinh vật nói chung và con ngƣời nói riêng sẽ không thể tồn tại nếu không có
nƣớc. Hiện nay vấn đề ô nhiễm môi trƣờng nƣớc, đặc biệt là ô nhiễm môi
trƣờng nƣớc bởi các kim loại nặng đang là lỗi lo của nhiều vùng, là vấn đề
thời sự đƣợc các nhà khoa học trong và ngoài nƣớc quan tâm nghiên cứu. Các
kim loại nặng không chỉ làm ảnh hƣởng đến môi trƣờng sống của nhiều loài
động, thực vật mà còn ảnh hƣởng trực tiếp đến môi trƣờng sống và sức khỏe
của con ngƣời. Có nhiều phƣơng pháp nhằm loại bỏ các kim loại nặng ra khỏi
nƣớc nhƣ phƣơng pháp vật lý, sinh học, hóa học…trong đó hấp phụ là một
phƣơng pháp đƣợc nhiều nhà khoa học trong và ngoài nƣớc lựa chọn. Để có
thể áp dụng đƣợc phƣơng pháp này thì việc lựa chọn vật liệu hấp phụ là rất
quan trọng bởi nó ảnh hƣởng trực tiếp đến hiệu quả xử lý và hiệu quả kinh tế
của phƣơng pháp.
Một trong các hƣớng nghiên cứu mới về vật liệu hấp phụ chính là việc
tổng hợp các vật liệu hấp phụ compozit từ PPNN nhƣ m n cƣa, vỏ trấu,...với
các polyme dẫn nhƣ PANi và polypyrol. Trong đó bản thân các PPNN c ng là
một chất hấp thu khá tốt và các polyme dẫn có khả năng hấp thu tốt các kim
loại nặng thông qua quá trình trao đổi ion hoặc tạo phức ligin với nhóm amin,
imin. Chính vì vậy hƣớng nghiên cứu này có ƣu điểm là vừa tận dụng đƣợc
nguồn PPNN, vừa tăng dung lƣợng hấp phụ, giảm giá thành sản phẩm, có khả
năng tái sử dụng chất hấp phụ lại không làm môi trƣờng bị ô nhiễm thêm.

Trần Thị Thu Hiền

16

K39A – Sư phạm Hóa học


Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

1.3.1. Xử lí môi trƣờng bằng PANi
Các công trình khoa học đã công bố về sự hấp phụ các ion kim loại nặng
trên vật liệu compozit PANi - PPNN cho biết về cơ chế hấp thu các ion kim
loại này trên vật liệu hấp thu. Khả năng hấp phụ của vật liệu có đƣợc là do
cấu trúc đặc biệt của PANi. Cơ chế hấp thu tùy thuộc vào dạng tồn tại của ion
trong dung dịch là anion hay cation và tùy thuộc vào môi trƣờng pH [9].
1.3.2. Xử lí môi trƣờng bằng bã cafe
Bã cà phê là một vật liệu lignoxenlulozo, có khả năng tách kim loại nặng
hòa tan và màu trong nƣớc nhờ vào cấu trúc xốp và thành phần xenlulozo. Các
nhóm hydroxy trên xenlulozo đóng vai trò quan trọng trong khả năng trao đổi
ion, nhóm hydroxy này có khả năng trao đổi yếu vì liên kết OH phân cực
không mạnh. Nhiều biện pháp đã đƣợc công bố nhƣ oxy hóa các nhóm
hydroxy thành các nhóm chức axit hoặc sulfon hóa bằng axit sunfuric [18]. Bã
cafe đƣợc sử dụng để chế tạo vật liệu hấp thụ ion kim loại Fe3+, hấp phụ ion
kim loại nặng Cr (VI) và màu hữu cơ trong nƣớc thải dệt nhuộm của bã cà phê.
1.3.3. Xử lí môi trƣờng bằng bã chè
Đã có khá nhiều công trình nghiên cứu sử dụng vật liệu là bã chè chẳng
hạn nhƣ hấp phụ Cr VI động trên cột trong môi trƣờng nƣớc bằng vật liệu

hấp phụ bã chè biến tính

OH. Bã chè sau khi đƣợc hoạt hóa bằng

OH đã

có hình thái học bề mặt thay đổi rõ rệt so với khi chƣa hoạt hóa. Cụ thể, trƣớc
khi hoạt hóa, bã chẽ có cấu trúc chứa các mao quản với kích thƣớc rất lớn, cỡ
µm. Sau khi đƣợc hoạt hóa, các mao quản lớn này bị mất đi một phần đi c ng
sự phát triển mao quản dạng lớp, tạo nên các nhiều khoảng trống bề mặt trên
bề mặt hơn dẫn đến tiềm năng làm chất hấp phụ tôt hơn.
Một trong các hƣớng nghiên cứu mới về vật liệu hấp phụ chính là việc
tổng hợp vật liệu hấp phụ compozit từ bã cafe, bã chè... với polyme dẫn là
PANi. Trong đó bản thân bã cafe, bã chè c ng là một chất hấp phụ khá tốt và

Trần Thị Thu Hiền

17

K39A – Sư phạm Hóa học


Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

polyme dẫn có khả năng hấp phụ tốt các kim loại nặng thông qua quá trình
trao đổi ion hoặc tạo phức với nhóm amin. Chính vì vậy hƣớng nghiên cứu
này có ƣu điểm là vừa tận dụng đƣợc nguồn nguyên liệu dồi dào sẵn có, vừa
tăng dung lƣợng hấp phụ, giảm giá thành sản phẩm, có khả năng tái sử dụng

chất hấp phụ lại không làm môi trƣờng bị ô nhiễm thêm.

Trần Thị Thu Hiền

18

K39A – Sư phạm Hóa học