DSpace at VNU: Nghiên cứu biến tính phụ phẩm từ cây đay làm vật liệu xử lý một số kim loại nặng trong nước

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
ẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-----------

PHẠM THỊ DINH

NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH PHỤ PHẨM TỪ CÂY AY
LÀM VẬT LIỆU XỬ LÝ MỘT SỐ KIM LOẠI NẶ

LUẬN VĂ

HẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – 2015

O

ỚC


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
ẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-----------

Phạm Thị Dinh

NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH PHỤ PHẨM TỪ CÂY AY
LÀM VẬT LIỆU XỬ LÝ MỘT SỐ KIM LOẠI NẶ

O

: Kỹ thuật môi trường
: 60520320

LUẬN VĂN THẠ SĨ KHOA HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. ĐỖ QUANG HUY

HÀ NỘI – 2015

ỚC


L I CẢM Ơ

Lời đầu tiên, với lòng biết ơn và sự kính trọng sâu sắc, tôi xin chân thành
cảm ơn PGS.TS. Đỗ Quang Huy, Bộ môn Công nghệ Môi trường, Khoa Môi trường,
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã giao đề tài và trực tiếp hướng dẫn, tận tình
giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Cảm ơn thầy đã rất tâm huyết
chỉ dẫn và góp ý để tôi hoàn thành luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô thuộc Bộ môn Công nghệ môi trường,
Bộ môn Thổ nhưỡng và môi trường đất, Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa
học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi có thể
học tập và làm việc trong suốt thời gian nghiên cứu.
Tôi xin cảm ơn tới ThS. Bùi Trung Thành, Trung tâm Nghiên cứu công nghệ
xử lý môi trường, Bộ Quốc phòng đã cộng tác trong quá trình thực hiện đề tài.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè luôn quan tâm động viên và
đóng góp ý kiến giúp đỡ tôi trong suốt quá trình hoàn thiện luận văn.
Xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội,

tháng

năm 2015

Học viên

Phạm Thị Dinh

i


MỤC LỤC
LỜI CẢ

ƠN ............................................................................................................. i

DANH MỤC BẢNG ................................................................................................. iv
DANH MỤC HÌNH ẢNH ........................................................................................ iv
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT................................................................................ vii
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
Chương 1 – TỔNG QUAN .......................................................................................3
1.1. Xử lý kim loại nặ

tro

ước bằng vật liệu có nguồn gốc thực vật ...............3

1.1.1. Hiện trạng ô nhiễm kim loại nặng trong nước .................................................3
1.1.2. Xử lý kim loại nặng trong nước bằng sinh khối thực vật .................................5
1.2. Đặc điểm sinh học của câ đa ........................................................................22
1.3. Tình hình sản xuất đa tr

1.4. Các ả

ưở

1.5. Tiềm ă

to

t ế giới .........................................................23

môi trường của câ đa v sản phẩm từ đa ...........................25

sử dụng phụ phẩm câ đa l m vật liệu xử lý ô nhiễm môi trường

..........................................................................................................................27
Chương 2 - ỐI

Ợ

VÀ PH Ơ

PHÁP

HIÊ CỨU ......................30

2.1. Đối tượng nghiên cứu.........................................................................................30
2.2. P ươ

p áp

i

cứu....................................................................................30

2.2.1. Phương pháp biến tính vật liệu .......................................................................30
2.2.2. Xác định đặc tính cơ bản của vật liệu .............................................................34
2.2.3. Khảo sát khả năng hấp phụ ion kim loại nặng của vật liệu đã biến tính........36
Chương 3 - KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN .................................37
3.1. Đặc tí

cơ bản của bột t â đa .......................................................................37

ii


3.1.1. Đặc điểm hình thái bề mặt của bột thân đay ..................................................37
3.1.2. Đặc điểm cấu trúc của bột thân đay ...............................................................38
3.1.3. Đặc điểm liên kết, nhóm chức .........................................................................39
3.2. Quy trình biến tính tạo vật liệu amidoxime hóa từ bột t â đa .......................40
3.2.1. Xử lý bằng dung dịch NaOH ...........................................................................40
3.2.2. Đồng trùng hợp ghép acrylonitrile lên bột thân đay bằng hệ khơi mào natri
bisunphit/amoni pesunphat (SB/APS) ............................................................45
3.2.3. Phản ứng amidoxime hoá................................................................................52
3.3. Đặc tính của vật liệ đ biến tính .......................................................................56
3.4. Khả ă

xử lý kim loại nặng (Cu2+, Zn2+, Ni2+) của vật liệ đ biến tính .......60

3.4.1. Xác định giá trị pH xử lý .................................................................................60
3.4.2. Xác định các hệ số hấp phụ của vật liệu đã biến tính với các ion KLN .........60

3.4.3. Xác định thời gian lưu tối ưu cho quá trình xử lý ion KLN (Zn2+, Ni2+, Cu2+)
bằng vật liệu đã biến tính ...............................................................................65
KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ .........................................................................67
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................69
PHỤ LỤC .................................................................................................................76

iii


DA H MỤC BẢ
Bảng 1. Nồ

độ kim loại nặ

tro

ước thải của một số cơ sở sản xuất...............4

Bảng 2. Diệ tíc , ă

s ất và sả lượ

đa tơ của tỉnh Long An .......................24

Bảng 3. Diệ tíc , ă

s ất và sả lượ

đa câ của tỉnh Long An .....................25

Bảng 4. Thành phầ di
Bảng 5. Ả

dưỡng có trong các bộ phận của câ đa .........................26

ưởng của các điều kiện phản ứ

đến khả ă

ép AN l

bột thân

đa ................................................................................................................33
Bả

6. P ươ

p áp xác định một số tính chất vật lý, hóa học của vật liệu ..........35

Bảng 7. Kết quả xác đị

d

lượng hấp phụ của vật liệu .....................................61

Bảng 8. Các hệ số hấp phụ đẳng nhiệt của vật liệu với Zn2+, Ni2+ và Cu2+ ..............63

DA H MỤC HÌ H Ả H
Hì

1. ơ c ế phá hủy enzym của kim loại nặng .....................................................3

Hình 2. Cấu trúc vách tế bào và mặt cắt ngang vi sợi .................................................6
Hình 3. Cấu trúc của phân tử cellulose .......................................................................7
Hình 4. Cấu trúc phân cấp của cellulose .....................................................................7
Hình 5. Vùng tinh thể v vù

vô định hình của cellulose .........................................8

Hình 6. Cấu trúc hóa học của các hợp chất chính của hemicellulose .........................9
Hình 7. Cấu trúc hóa học của lignin..........................................................................10
Hình 8. Phản ứng este hóa giữa cellulose và axit xitric ............................................17
Hì

9. Sơ đồ các p ươ

p áp biến tính polyme ....................................................18

Hình 10. Các nhóm chức ghép nối vào cellulose tạo vật liệu có nhiề đặc tính tốt.......21
Hì

11. â đa (Hibisc s a

abi

s) .................................................................23

iv

Hình 12. Tỷ trọng sản xuất đa tr

t ế giới ............................................................24

Hình 13. Vị trí các đỉnh nhiễu xạ đặc trư

của cellulose I (a) và cellulose II (b)

trong phổ nhiễu xạ tia X ............................................................................31
Hình 14. Ảnh SEM bề mặt bột t â đa ...................................................................37
Hình 15. Phổ nhiễu xạ tia X của bột t â đa ...........................................................38
Hình 16. Phổ hấp thụ hồng ngoại của bột t â đa ..................................................39
Hình 17. Ả

ưởng của nồ

độ NaOH đến khối lượng còn lại v

m lượng

cellulose trong bột t â đa .......................................................................40
Hình 18. Phổ nhiễu xạ tia X của bột t â đa ba đầu và xử lý ở các nồ

độ dung

dịch NaOH khác nhau ................................................................................41
Hình 19. Sự biế đổi chỉ số tinh thể của cellulose trong bột t â đa k i xử lý với
dung dịch NaOH ở các nồ

độ khác nhau ...............................................42

Hình 20. Phổ hấp thụ hồng ngoại của bột t â đa ba đầu và xử lý ở các nồ

độ

NaOH khác nhau ........................................................................................43
Hình 21. Ả

ưởng của tỷ lệ SB/APS đến khả ă

ép AN l

bột t â đa ....46

Hình 22. Ả

ưởng của tổng nồ

độ hệ k ơi m o đến khả ă

ép của AN lên

bột t â đa ................................................................................................48
Hình 23. Ả

ưởng của tỷ lệ khối lượ

AN/đa đến khả ă

ép AN lên bột

t â đa ......................................................................................................49
Hình 24. Ả

ưởng của thời gian phản ứ

đến khả ă

ép AN l

bột thân

đa ..............................................................................................................50
Hình 25. Ả

ưởng của nhiệt độ đến khả ă

ép AN l

bột t â đa ............51

Hình 26. Ả

ưởng của nồ

Hình 27. Ả

ưởng của nhiệt độ phản ứng .............................................................53

Hình 28. Ả

ưởng của thời gian phản ứng ............................................................54

độ NH2OH.HCl .......................................................52

v


Hình 29. Quy trình biến tính tạo vật liệu amidoxime hóa từ bột t â đa ...............55
Hì

30. Đặc điểm hình thái bề mặt của bột t â đa ba đầ (a), đa xử lý bằng
NaOH 15% (b), đa đ

ép AN (c) v vật liệ đ biến tính (d) ..............56

Hình 31. Phổ hấp thụ hồng ngoại của bột t â đa ba đầu (a), sau xử lý NaOH
15% (b) và ghép AN (c) .............................................................................57
Hình 32. Phổ hấp thụ hồng ngoại của vật liệu ..........................................................58
Hình 33. Thế zeta của bột t â đa ba đầu, sau xử lý NaOH 15% và vật liệu .......59
Hì

34. Điện tích âm bề mặt của vật liệ đ biến tính ở các pH khác nhau .................60

Hì

35. P ươ

trì

ấp phụ đẳng nhiệt Freundlich (a) và Langmuir (b) của vật

liệu với Zn2+, Ni2+ và Cu2+ .........................................................................62
Hình 36. Phản ứng tạo phức giữa vật liệu amidoxime hóa và ion Cu2+ ...................64
Hình 37. Các phản ứng tạo thành vật liệu amidoxime hóa và phản ứng tạo phức giữa
vật liệu với các ion KLN ............................................................................64
Hình 38. Phức chất giữa hai nhóm chức amidoxime và ion KLN ............................65
Hình 39. Hiệu suất xử lý kim loại (Zn2+, Ni2+, Cu2+) theo thời gian của vật liệu .....66

vi


ÀI LIỆU HAM KHẢO
Tiếng Việt
1. N

ễ
trì

i

ơ , P a T ị Bíc Trâm, N

t ực tập si

2. Trươ

T ị Hạ

acrylonitrile l

óa”, Trườ
, N

ễ

ễ T ịT

Đại ọc ầ T ơ

Q ốc Hiế , H

c iti bằ

T ủ (2005), “Giáo

kĩ t

T úc H

(2011), “G ép

ật bức xạ để ấp p ụ kim loại ặ

độc

(As (v), Cd2+), Tạp chí Khoa học và Công nghệ, 49(2), pp. 73-80
3. L T a

Hư

“N i

, P ạm T

Q â ,L

cứ k ả ă

i

Tâm, N

ễ X â T ơm (2008),

ấp p ụ v trao đổi io của xơ dừa v vỏ trấ biế

tính”, Tạp chí Phát triển KH&CN, 11(08), tr. 5-11
4. Trần Lệ

i

(2012), “N

i

cứu xử lý kim loại nặ

nguồn gốc thực vật”, L ận án tiế sĩ ô

tro

ước bằng vật liệu

ệ môi trườ , Trườ

Đại học

Bách Khoa Hà Nội
5. Trần Thị P ươ

(2012), “P â tíc v đá

iá

m lượng kim loại nặng trong

một số nhóm sinh vật tại hai hồ Trúc Bạch và Thanh Nhàn của Thành phố
Hà Nội”, L ậ vă T ạc sĩ Si

t ái ọc, Trườ

Đại học Khoa học Tự

nhiên
6. Trịnh Thị T a

(2003), “Độc học, môi trường và sức khỏe co

ười”, N

xuất bả Đại học Quốc gia Hà Nội
7. Trần Thị Hồng Thắm (2011), “N

i

cứu xây dự

q

vụ cho vùng nguyên liệu sản xuất bột giấy ở đồ

trì

ca

tác đa p ục

t áp mười”, Báo cáo tổng

kết kết quả thực hiệ đề tài thuộc dự án khoa học công nghệ nông nghiệp vốn
vay ADB, Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn
Tiếng Anh
8. Abdullah A. B. M., “Ecolo ical a d eco omic attrib tes of J te a d Nat ral
fibre for sustainable Eco- a a eme t”, Primeasia U iversit

69

9. Ahmed Ismail Mustafa, Md. Saiful Alam , Md. Nurul Amin, Newas Mohammad
Ba ad r a d

d. A sa Habib (2008), “P e ol Removal from Aq eo s

S stem b J te Stick”, Pak. J. Anal. Environ. Chem, 9(2), pp. 92-95.
10. Alka Shukla, Yu-Hui Zhang, P. Dubey, J.L. Margrave, Shyam S. Shukla
(2002), “T e role of sawd st i t e removal of nwanted materials from
water”, Journal of Hazardous Materials, B95, PP. 137-152
11. A ir d a T. S., Div a L., Bri

le . D., S c it ra P. S. (2010), “Removal of

Copper(II) and Zinc(II) from Aqueous Solutions Using a LignocellulosicBased Polymeic Adsorbent Containing Amidoxime Chelating Functional
Gro ps”, Separation Science and Technology , 45, pp. 2383–2393
12. A a Demirbas (2009), “A ric lt ral based activated carbo s for t e removal
of d es from aq eo s sol tio s: A review”, Journal of Hazardous
Materials, 167, pp. 1–9.
13. B attac ar a A.,
pol mers Tec

isra B.N. (2004), “Grafti

: a versatile mea s to modif

iq es, factors a d applicatio s”, Prog. Polym. Sci., 29, pp.

767–814
14. Chang Geun Yoo (2012), “Pretreatme t a d fractio atio

of li ocell losic

biomass for production of biofuel and value-added prod cts”, Grad ate
Thesis and Dissertations. Paper 12700.
15. Chao Xu, Jingjing Wang, Tilong Yang, Xia Chen, Xunyue Liu, Xingcheng
Di

(2015), “Adsorptio of

polyAcrylonitrile,

si

ra i m b amidoximated c itosa -grafted

respo se s rface met odolo

”, Carbohydrate

Polymes, 121, pp. 7985.
16.

e Qi , Nattaka So keabkaew, Ni Xi

a , To Peijs (2008), “T e effect

of fibre volume fraction and mercerization on the properties of all-cellulose
composites”, Carbohydrate Polymes, 71, pp. 458–467.

70

17. Das J., Mohanty A. K., Singh B. . (1989), “Fe to ’s Rea e t Initiated Graft
Copolymeization of Methyl Methacrylate o to J te Fibers”, Textile
Research Journal, pp. 525-529.
18. David William O’ o

ell, oli Birki s aw, T omas Fra cis O’Dw er (2008);

“Heav metal adsorbe ts prepared from t e modificatio of cell lose: A
review”, Bioresource Technology, 99, pp. 6709–6724.
19. D iraj S d, Garima

a aja ,

.P. Ka r (2008), “A ric lt ral waste material

as potential adsorbent for sequesteing heavy metal ions from aqueous
solutions – A review”, Bioresource Technology, 99, pp. 6017-6027.
20. Eddy M.F.M. Yusslee, Lutfor M.R., Dahon N.H., Arshad Sazmal E. (2015),
“Synthesis Of Chemically Modified Silica Gel With Amidoxime And Its
Adsorption Performance For The Removal Of Copper(II) And Lead(II)
From Aqueous Phase”, Journal of Applied Science and Agriculture, 10(5),
pp. 24-32
21. Gopal

. Pa da, S jo K. Das, Ar

K. G

a (2009), “J te stick powder as a

potential biomass for the removal of congo red and rhodamine B from their
aq eo s sol tio ”, Journal of Hazardous Materials, 164, pp. 374–379.
22. Hany El-Hamshary, Mohamed H. El-Newehy, Salem S. Al-Deyab (2011),
“Oxidatio of P e ol b H dro e Peroxide atal zed b

etal-Containing

Poly(amidoxime) Grafted Starc ”, Molecules, 16, pp. 9900-9911
23. Harmse

P.F.H. (2010), “Literat re Review of P sical a d

Pretreatme t Processes for Li

emical

ocell losic Biomass”, Energy research

Centre of the Netherlands, ECN-E--10-013

71


24. Joana M. Dias, Maria C.M. Alvim-Ferraz, Manuel F. Almeida, José RiveraUtrilla, Manuel Sánchez-Polo (2007), “Waste materials for activated carbo
preparation and its use in aqueous-p ase treatme t: A review”, Journal of
Environmental Management, 85, pp. 833-846
25. Isabel Villaescusa, Núria Fiol, María Martínez, Núria Miralles, Jordi Poch, Joan
Serarols (2004), “Removal of copper a d ickel io s from aq eo s sol tio s

b

rape stalks wastes”, Water Research, 38, pp. 992-1002

26. Israt Jahan M., Abdul Motin M., Moniuzzaman M., Asadullah M. (2008),
“Arsenic removal from water using activates carbon obtained from chemical
activatio of j te stick”, Indian Journal of Chemical Technology, 15, pp.
413-416
27. Joana M. Dias, Maria C.M. Alvim-Ferraz, Manuel F. Almeida, Jose´ RiveraUtrilla, Manuel Sa´nchez-Polo (2007), “Waste materials for activated
carbon preparation and its use in aqueous-p ase treatme t: A review”,
Journal of Environmental Management, 85, pp. 833–846
28. Kalia S., Sabaa M.W. (2013), “Polysaccharide Based Graft Copolymes”, Verlag
Berlin Heidelberg
29. Kamarul Izhan Bin Soh (2010), “Graft copol merizatio
met acr late o to rice

of met l

sk”, Bachelor of Chemical Engineering thesis,

Universiti Malaysia Pahang.
30. K

llar R., Vars

e

V. K., Nait a i S., So i P. L. (2008), “Grafti

of

Acrylonitrile onto cellulosic material derived from bamboo (Dendrocalamus
strict s)”, Express Polymer Letters, 2(1), pp. 12–18
31. Lee H. V., Hamid S. B. A., Zai S. K. (2014), “ o versio of Li
Biomass to Na ocell lose: Str ct re a d
World Journal, pp. 1-20

72

ocell losic

emical Process”, The Scientiic


32. Leonard Y. Mwaikambo, Martin P. Ansell (2002), “

emical

odificatio of

Hemp, Sisal , J te , a d Kapok Fibers b Alkalizatio ”, Journal of Applied
Polyme Science, 84, pp. 2222–2234
33. Li

arlsso (2014), “S rface modification of cellulose by covalent grafting
a d p sical”, Doctoral Thesis , KTH Chemical Science and Engineering

34. Luiz Pereira Ramos (2003), “T e c emistr i volved i t e steam treatme t of
li ocell losic materials”, Quim. Nova, Vol.26, No.6, 863-871
35. María Martisnez, Núiria Miralles, Soraya Hidalgo, Núria Fiol, Isabel

Villaesc sa, Jordi Poc (2006), “Removal of lead(II) a d cadmi m(II) from
aq eo s sol tio s

si

rape stalk waste”, Journal of Hazardous

Materials, Vol.133, pp. 203-211
36. Mehmet Emin Argun, Şükrü Dursun (2006), “Removal of eav metal io s
si

c emicall

modified

adsorbe ts”, J.

Int.

Environmental

Application & Science, Vol. 1(1-2), pp. 27-40.
37. Mohammad Asadullah, Mohammad Asaduzzaman, Mohammad Shajahan
Kabir,
“

Mohammad Golam Mostofa, Tomohisa Miyazawa

(2010),

emical a d str ct ral eval atio of activated carbo prepared from j te

sticks for Brillia t Gree d e removal from aq eo s sol tio ”, Journal of
Hazardous Materials ,174, pp. 437–443.
38. Nursel Pekel, N retti Şa i er, Ol

Güve (2000), “Developme t of ew

chelating hydrogels based on N-vinyl imidazole and acrylonitrile”, Radiation
Physics and Chemistry, 59, pp. 485-491
39. Paavo Mansikkamӓki,

a

La ti e , Kari Rissa e (2007), “T e co versio

from cellulose I to cellulose II in NaOH mercerization performed in
alcohol–water systems: An X-ra powder diffractio st d ”, Carbohydrate
Polymes, 68, pp. 35–43

73


40. Pengju Lv, Yuezhen Bin, Yongqiang Li, Ru Chen, Xuan Wang, Baoyan Zhao
(2009), “St dies o

raft copol meizatio of c itosa wit Acrylonitrile by

t e redox s stem”, Polyme, 50, pp. 5675–5680
41. P šić T., Gra carić A

., Soljačić I., Ribitsch V. (1999), “T e effect of

mercerisatio o t e electroki etic pote tial of cotto ”, JSDC, 115, pp. 121124
42. Rao Lei, Xu Jie, Xu Jun, Zhan Ruiyun (1994), “Structure and Properties of
Polyvinyl Alcohol Amidoxime Chelate Fiber”, Journal of Applied Polymer
Science, 53, pp. 325-329
43. Román-Aguirr M., Márquez-Lucero A., Zaragoza-Contreras E.A. (2004),
“El cidati

t e raft copol meizatio of met l met acrylate onto wood-

fiber”, Carbohydrate Polymes, 55, pp. 201–210.
44. Sanna Hokkanen (2014), “ odified a o a d microcell lose based adsorptio
materials i water treatme t”, Thesis of Doctor of Science, Lappeenranta
University of Technology.
45. Segal L., Creely J. J.,

arti A. E., Jr.,

o rad

.

. (1959), “A Empirical

Method for Estimating the Degree of Crystallinity of Native Cellulose Using
the X-Ra Diffractometer”, Textile Research Journal, pp. 786-793
46. So vik Ba erjee, Dastidar

.G. (2005), “Use of j te processing wastes for

treatme t of wastewater co tami ated wit

d e a d ot er or a ics”,

Bioresource Technology, 96 (2005) 1919–1928
47. Wa N a W.S., Ha afia

.A.K. . (2008), “Removal of eav metal io s

from wastewater by chemically modified plant wastes as adsorbents: A
review”, Bioresource Technology, 99.3935–3948
48. Yanping Liu, Hong Hu (2008), “X-ray Diffraction Study of Bamboo Fibers
Treated wit NaOH”, Fibers and Polymes, 9(6), pp. 735-739

74


49. Yi

Wa

(2008), “ ell lose fiber dissol tio i sodi m

droxide solution at

low temperat re: Dissol tio ki etics a d sol bilit improveme t”, Doctor
of Philosophy thesis, Georgia Institute of Technology
50. Yiying Yue B.S., “A comparative st d of cell lose I a d cell lose II fibers a d

a ocr stals”, Master of Science thesis, School of Renewable Natural
Resources, College of Agriculture, Louisiana State University and
Agricultural & Mechanical College.
51. Yu Jia

, Hao Pa

, Bi

Liao (2009), “Removal of copper(II) ions from

aq eo s sol tio b modified ba asse”, Journal of Hazardous Materials,
164, pp. 1–9
52. Yuh-S a Ho (2003), “Removal of copper io s from aq eo s sol tio b tree
fer ”, Water Research, 37, pp. 2323-2330.

75