Tổng hợp vật liệu PANi bã cafe định hướng xử lý môi trường ô nhiễm kim loại nặng mn2+ (2017)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HÓA HỌC
----------------------

NGUYỄN THỊ TRANG

TỔNG HỢP VẬT LIỆU COMPOZIT PANI - BÃ CAFE.
ĐỊNH HƯỚNG XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG Ô NHIỄM

KIM LOẠI NẶNG
Mn2+

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: Hóa Lý
Người hướng dẫn khoa học
TS. NGUYỄN THẾ DUYẾN

HÀ NỘI – 2017


LỜI CẢM ƠN
Bài tốt nghiệp hoàn thành là một thành quả không chỉ của riêng em mà
còn có sự giúp đỡ của nhiều người và đây là cơ hội cho em bày tỏ lòng tri ân
đó.
Lời đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS. Nguyễn Thế Duyến,
người đã tận tình hướng dẫn và chỉ bảo em trong suốt quá trình học tập cũng
như nghiên cứu đề tài khóa luận tốt nghiệp này.
Em xin chân thành cảm ơn đến quý thầy cô trong tổ bộ môn Hóa lí và
Ban chủ nhiệm khoa Hóa Học trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 đã giúp đỡ
và tạo điều kiện cho em trong quá trình hoàn thành đề tài khóa luận này.
Em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô giáo trong khoa

Hóa Học đã tận tâm giảng dạy và truyền đạt những kiến thức quý báu cho
chúng em có thể tự tin khi rời giảng đường đại học.
Cuối cùng em xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình, người thân và
bạn bè trong suốt thời gian qua đã luôn tin tưởng, giúp đỡ, động viên em
trong quá trình thực hiện đề tài.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày...tháng...năm 2017
Sinh viên

Nguyễn Thị Trang

i


LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự
hướng dẫn của thầy giáo TS. Nguyễn Thế Duyến. Các số liệu và kết quả trong
khóa luận là trung thực chưa được ai công bố trong bất cứ công trình nào khác.
Hà Nội, ngày...tháng...năm 2017
Sinh viên

Nguyễn Thị Trang

ii


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ...............................................................................................................1
1. Lý do chọn đề tài
...........................................................................................1

2. Mục tiêu nghiên cứu
......................................................................................2
3. Nội dung nghiên cứu
.....................................................................................2
4. Phương pháp nghiên cứu...............................................................................2
CHƯƠNG 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 polyanilin (PANi) .........................................................4
1.1.3. Phương pháp tổng hợp PANi ..............................................................6
1.2. Tổng quan về bã cafe................................................................................11
1.2.1. Nguồn phát sinh bã cafe. ...................................................................11
1.2.2. Đặc tính bã cafe
..................................................................................12
1.3. Sử lí môi trường từ phụ phẩm nông nghiệp............................................16
CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM .........................................................................18
2.1. Đối tượng nghiên cứu...............................................................................18
2.2. Hóa chất – dụng cụ, thiết bị .....................................................................18
2.2.1. Hóa chất
..............................................................................................18
2.2.2. Dụng cụ...............................................................................................18
2.2.3. Thiết bị
................................................................................................18
2.3. Phương pháp nghiên cứu..........................................................................19
2.3.1. Phương pháp phổ hồng ngoại ............................................................19
2.3.2. Phương pháp nghiên cứu cấu trúc hình thái học của vật liệu..........19
3

2.3.3. Phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử AAS .......................................20
2.4. Thực nghiệm
.............................................................................................20

4


2.4.1. Tổng hợp vật liệu hấp thu
..................................................................20
2+

2.4.2. Khả năng hấp thu ion Mn
...............................................................22
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ....................................................24
3.1. Tổng hợp vật
liệu......................................................................................24
3.1.1. Phổ hồng ngoại (IR)
...........................................................................24
3.1.2. Kết quả phân tích SEM
......................................................................27
2+

3.2. Khả năng hấp thu ion Mn
......................................................................28
KẾT LUẬN
.........................................................................................................32
TÀI LIỆU THAM KHẢO
..................................................................................33

5


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU
Chữ viết tắt

Tên tiếng Việt

Tên tiếng Anh

PANi

Polyanilin

Polyaniline

BCF

Bã cafe

PANi-BCF

Polyanilin-Bã cafe

IR

Phổ hồng ngoại

SEM

Hiển vi điện tử quét

PPNN

Phụ phẩm nông nghiệp

TNHH

Trách nhiệm hữu hạn

Polyaniline-Coffee grounds
Scanning Electron Microscopy

NN&PTNT Nông nghiệp và phát triển
nông thôn
k

Cường độ vạch phổ hấp
thụ
Hằng số thực nghiệm

l

Chiều dài môi trường hấp

Aλ

thụ
C

Nồng độ nguyên tố cần

Et4NBF4

xác định trong mẫu đo
phổ
Tetrathyammonium

Tetraethylammonium

Tetrafluroborat

Tetraflueroborate

Axit Flooroboric

Fluoroboric acid

HBF4
LE

Leucoemeraldine

PE

Pernigraniline

EM

Emeraldine

v


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Độ dẫn điện của PANi trong một số môi trường khác nhau
.............5
Bảng 1.2. Thành phần một số chất trong bã cafe .............................................13
Bảng 3.1. Giá trị số sóng của các mẫu ..............................................................26

vi


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Sự chuyển hóa giữa các dạng PANi . ........................................................5
Hình 1.2. Sơ đồ tổng hợp PANi bằng phương pháp hóa học. ..............................9
Hình 1.3. Sơ đồ dây chuyền sản xuất cafe hòa tan. ..................................................12
Hình 1.4. Sơ đồ dây chuyền sản xuất cafe bột rang xay. .......................................12
Hình 1.5. Cấu trúc của xenlulozơ ...................................................................................14
Hình 1.6. Cấu trúc hóa học của lignin ..........................................................................15
Hình 2.1. Bã cafe trước và sau khi biến tính. .............................................................21
Hình 3.1. Phổ IR của các mẫu . ......................................................................................25
Hì nh 3.2. Phổ SEM của các mẫu .......................................................................27
2+

Hình 3.3. Nồng độ của ion Mn tại các thời điểm hấp thu, pH=7. ....................28
2+

Hình 3.4. Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp thu Mn theo thời gian của các
vật

liệu. ................................................................................................................30
Hình 3.5. Mô hình xử lí nước ô nhiễm sử dụng vật liệu Cafe-PANi tự chế
tạo. ........................................................................................................................Error!
Bookm

vii


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Nền công nghiệp ngày càng phát triển thì nguy cơ ô nhiễm môi trường
ngày càng cao, đặc biệt là vấn đề ô nhiễm kim loại nặng. Nó đang trở thành
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 [11, 14].
Đã có nhiều phương pháp được áp dụng nhằm tách các ion kim loại nặng
ra khỏi môi trường như: phương pháp cơ học, phương pháp hóa lý (phương
pháp hấp thu, phương pháp trao đổi ion,...), phương pháp sinh học, phương
pháp hóa học... Trong đó phương pháp hấp thu là một phượng pháp được sử
dụng phổ biến bởi nhiều ưu điểm so với các phương pháp khác [8, 23].
Sau khi ba nhà khoa học A.J Heeger, A.G MacDiarmid và H.Shirakawa
giành giải thưởng Nobel năm 2000 về polyme dẫn, các nhà khoa học trên thế
giới ngày càng quan tâm nghiên cứu nhiều hơn về khả năng ứng dụng của vật
liệu này, đặc biệt là polyanilin. Đây là vật liệu được xem như vật liệu lí tưởng
vì dẫn điện tốt, bền nhiệt, dễ tổng hợp lại thân thiện với môi trường [24, 25].
Polyanilin (PANi) cũng đã được biến tính, lai ghép với nhiều vật liệu vô
cơ, hữu cơ thành dạng compozit nhằm làm tăng khả năng ứng dụng của nó
trong thực tế. Một trong những vật liệu sử dụng để lai ghép với PANi đang
được các nhà khoa học quan tâm là các phụ phẩm nông nghiệp (PPNN) [2325]. Hướng nghiên cứu này còn có nhiều ưu điểm là tận dụng được nguồn
nguyên liệu rẻ tiền, dễ kiếm. Việt Nam là nước trồng nhiều cafe, lượng cafe
tiêu thụ nội địa trong năm 2010 là 20.000 tấn nhân cafe được đem sản xuất

thành cafe rang xay và cafe hòa tan. Đây cũng gần như là lượng bã cafe phát
sinh từ quy trình sản xuất cafe. Loại vật liệu compozit này đang được thế giới
quan tâm nghiên cứu, đặc biệt là xem xét đến khả năng ứng dụng làm vật liệu
hấp thu các kim loại nặng.

1


Do vậy em lựa chọn đề tài nghiên cứu của mình là: “Tổng hợp vật liệu
2+

PANi - Bã cafe định hướng xử lý môi trường ô nhiễm kim loại nặng Mn ”.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Tổng hợp vật liệu PANi-Bã cafe định hướng xử lí môi trư ờng ô
2+

nhiễm Mn .
3. Nội dung nghiên cứu
- Tổng hợp vật liệu compozit từ polyanilin và bã cafe.
- Phân tích đặc trưng cấu trúc và tính chất vật liệu thông qua các phương
pháp: phổ hồng ngoại IR, phương pháp kính hiển vi điện tử quét SEM.
- Khảo sát khả năng hấp thu ion kim loại Mn

2+

của vật liệu compozit

theo các yếu tố: thời gian, nồng độ ban đầu của chất bị hấp thu.
4. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp phổ hồng ngoại.

- Phương pháp nghiên cứu cấu trúc hình thái học của vật liệu.
- Phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử AAS.


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Polyanilin (PANi)
1.1.1. Cấu trúc phân tử của PANi
Quá trình tổng hợp polyme dẫn đã biết từ khá lâu nhưng sự phát triển
của nó bắt đầu từ năm 1975 với sự khám phá ra các polyme hữu cơ.
Polyaxetilen với khả năng dẫn điện đã trở thành vấn đề nhiều nhà khoa học
trên thế giới nghiên cứu và phát triển. Trong số polyme dẫn điện và chất bán
dẫn hữu cơ, polyanilin là chất dễ dàng tổng hợp nhất, môi trường ổn định.
PANi là một trong số nhiều loại polyme dẫn điện có tính chất dẫn điện tương
tự với một số kim loại 1, 4, 10, 14, 20 .

ặc d các phương pháp tổng hợp

polyanilin tương đối đơn giản, nhưng nó lại có cơ chế tr ng hợp và quá trình
oxy hóa khá phức tạp. PANi là vật liệu đang được cả thế giới quan tâm do có
khả năng ứng dụng lớn, nguồn nguyên liệu rẻ tiền, dễ tổng hợp. Ngoài ra,
PANi còn có khả năng chịu nhiệt độ cao, bền cơ học, tồn tại ở nhiều trạng
thái oxy hóa - khử khác nhau và đặc biệt là khả năng điện hóa rất cao. Người
ta có thể nâng cao tính năng của PANi nhờ sử dụng kĩ thuật cài các chất vô cơ
hay hữu cơ.
PANi là sản phẩm cộng hợp của nhiều phân tử anilin trong điều kiện có
mặt tác nhân oxi hóa làm xúc tác.

Hình 1.1. Công thức tổng quát của
Polyanilin[27]. m, n= 0, 1, 2, 3...
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.


Các trạng thái oxi hóa khử cụ thể:
- Với n 1, m 0: eucoemeraldine ( E) có màu vàng đến xanh nhạt,
ứng với trạng 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 (E ) có màu xanh lá cây hoặc màu xanh
nước biển, là trạng thái oxi hóa một nửa. Đây là trạng thái hữu dụng nhất của
polyanilin bởi tính ổn định của nó tại nhiệt độ ph ng.
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 dạng khác nhau thì khác nhau về tính chất hóa học, cũng
như tính chất vật lý.
1.1.2. Tính chất của polyanilin (PANi)
1.1.2.1. Tính dẫn điện
Do 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. 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.
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. Tính dẫn của PANi phụ thuộc nhiều nhất vào mức độ pha tạp
proton. Chất pha tạp có vai trò quan trọng để điều khiển tính dẫn của polyme
dẫn.
Tuy nhiên, tính dẫn điện của PANi sẽ 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 làm tăng tính dẫn của PANi.


Bảng 1.1. Độ dẫn điện của PANi trong một số môi trường khác nhau [18].
Độ dẫn điện

Axit

Độ dẫn điện

Axit

-2

(S/cm).10

-2

(S/cm).10

H2SO4

9,72

H2SO3

8,44

HCl

9,14

HClO4

8,22

HNO3

8,63

H2C2O4

7,19

1.1.2.2. Tính điện sắc [19]
PANi là một chất vô định hình, có tính điện sắc thay đổi từ xanh sang
tím biếc, khi cài thêm các chất khác 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).
Ứng dụng này của nó được làm các sen sơ cảm ứng.

*

N

N

N

N
+

+

A-

-

A

*

n

EMERALDINE SALTS
(ES)
+2HA
*

N

N

N

N

*

n

+

A-

EMERALDINE BASE
(EB)
+2e, +2HA
*

N

N

N

LEUCOEMERALDINE
(LE)

Hình 1.1. Sự chuyển hóa giữa các dạng PANi [1].

N

*

n


0

PANi ít bị phân hủy ở nhiệt độ dưới 25 C và quá trình phá hủy mạch
0

polyme chỉ xảy ra ở nhiệt độ lớn hơn 300 C với tốc độ và mức đáng kể và có
0

thể bị phân hủy gần như hoàn toàn ở nhiệt độ 500-520 C [20, 26].


1.1.2.3. Khả năng tích trữ năng lượng [1]
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. Như
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.
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 dương hơn kim loại kiềm nên
polyanilin đóng vai tr 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 thu và nâng cao khả năng chống ăn m n. 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 Fe(III). Màng oxit
sắt phủ kín bề mặt kim loại bị hở tạo nên một barie thụ động bền bảo
vệ chống ăn m n kim loại.
1.1.3. Phương pháp tổng hợp PANi
PANi được tổng hợp theo 2 phương pháp là phương pháp hóa học và
phương pháp điện hóa. 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. Ở đây ta quan tâm đến
phương pháp tổng hợp bằng con đường hóa học.
1.1.3.1. Tổng hợp bằng phương pháp điện hóa
Các phương pháp điện hóa thường được d ng để tổng hợp PANi như d
ng tĩnh, thế tĩnh, quét tuần hoàn, xung dòng, xung thế. Cho tới nay cơ chế
tổng hợp PANi nói riêng và polyme dẫn nói chung chưa được lí giải một cách
thuyết phục. Tuy nhiên về mặt tổng thể cơ chế polyme hóa điện hóa PANi
được mô tả gồm các dạng trung gian chính:
- Khuếch tán và hấp thụ anilin.
- Oxy hóa anilin.
- Hình thành polyme trên bề mặt điện cực.

- Ổn định màng polyme
Bằng phương pháp điện hóa ta có thể tạo ra các PANi có tính chất khác
nhau tùy theo nhu cầu ứng dụng. Trong quá trình điện hóa, anilin được hòa
tan trong dung dịch điện li sẽ bị oxi hóa tạo màng polyanilin phủ trên bề mặt
mẫu. PANi được tạo ra trực tiếp trên bề mặt điện cực, bám dính cao. Như vậy,
có thể tạo trực tiếp PANi lên mẫu kim loại cần bảo vệ.
Sự hình thành PANi bằng con đường điện hóa này có 2 hai giai đoạn
liên quan trực tiếp tới phản ứng là giai đoạn khuếch tán và giai đoạn hấp thu
đều phụ thuộc trực tiếp vào nồng độ monome và giai đoạn oxi hóa anilin
cũng như vào sự phân cực điện hóa. Cả nồng độ monome và mật độ d ng
đều có ảnh hưởng trực tiếp tới tốc độ và hiệu suất polyme hóa. Ngoài hai
yếu tố trên thì tính chất polyme còn phụ thuộc vào dung dịch điện ly, nhiệt
độ, thời gian, pH, vật liệu làm điện cực nghiên cứu.


1.1.3.2. Tổng hợp bằng phương pháp hóa học
Polyme hóa anilin bằng phương pháp hóa học
Phương pháp polyme hóa anilin theo con đường hóa học đã được biết
đến từ lâu và được ứng dụng rộng rãi trong thực tế. Polyme hóa hóa học là
phương pháp thông dụng để chế tạo polyme nói chung. Anilin có thể được
điều chế trong môi trường axit, trong môi trường có các loại chất oxi hóa.
Polyanilin thu được bằng phương pháp hóa học cũng có thể tạo màng
trên bề mặt kim loại bằng cách hòa tan hoặc phân tán bột PANi trong cấu tạo
màng sau đó quét lên bề mặt kim loại.
Quá trình tổng hợp PANi được diễn ra trong sự có mặt có tác nhân oxy
hóa làm xúc tác. Người ta thường sử dụng amonipesunfat (NH4)2S2O8 làm
chất oxy hóa trong quá trình tổng hợp PANi và nhờ nó mà có thể tạo được
polyme có khối lượng phân tử rất cao và độ dẫn tối ưu hơn so với các chất
oxi hóa khác. Phản ứng trùng hợp các monome anilin xảy ra trong môi
trường axit (H2SO4, HCl, HClO4,...) hay môi trường các hoạt chất oxy hóa

như các chất tetra aouroborat khác nhau (NaBF4, NO2BF4, Et4NBF4). Trong
những hệ PANi- NaBF4, PANi-NO2BF4, PANi-Et4NBF4, do tính chất thủy
phân yếu của các cation nên anion sẽ thủy phân tạo ra HBF4, HBF4 đóng
vai tr như một tác nhân proton hóa rất hiệu quả được sử dụng để làm tăng độ
dẫn của polyme [7].
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 Nphenyl-1,4-phenylêndiamin 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 lượng phân tử lớn. Bản chất của phản ứng polyme hóa
này là tự xúc tác [5, 20].


H
N
H

C-(O)
-H+,e-

H

H

N C-

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

(O)

NH2

eH

H

N

N
H

H
N

H

H

H

N

N

N

H

N
-H+

PANi

Hình 1.2. Sơ đồ tổng hợp PANi bằng phương pháp hóa học [20].


Ưu và nhược điểm
 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.
 Nhược 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.
1.1.3.3. Ứng dụng của PANi
- Màng PANi có thể tồn tại ở các trạng thái oxy hóa khử khác nhau
tương ứng với các màu sắc khác nhau tùy thuộc vào pH của dung dịch điện ly

và 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.
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 dương nên
màng PANi có khả năng chống ăn m n cao, có triển vọng khả quan thay thế
một số 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 tr như cực
dương làm cho nền kim loại bị h a 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 oxi hóa cao nhất của PANi có
khả năng ngăn chặn sự tấn công của axit hay môi trường ăn m n 8, 16].


- 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 thu khi trên bề mặt điện
cực.
- Ngoài ra, do PANi có khả năng hấp thu kim loại nặng nên người ta có
thể d ng nó để hấp thu các kim loại nặng có trong nước thải công nghiệp
cũng như nước thải dân dụng. Để tăng quá trình hấp thu (tăng bề mặt tiếp
xúc) và làm giảm giá thành sản phẩm người ta phủ nên chất mang như: bã
cafe, m n cưa, 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. Tổng quan về bã cafe (BCF)
1.2.1. Nguồn phát sinh bã cafe
[30]
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. Chính
vì thế cafe là một tiềm năng rất lớn, chúng ta có thể tận dụng, tái chế bã cafe
để đem lại những lợi ích về kinh tế, xã hội, và c n có ý nghĩa quan trọng
trong việc bảo vệ môi trường.
Để có được sản phẩm cafe bán trên thị trường phải qua nhiều quy trình
sản xuất bắt đầu từ trái cafe tươi. Bã cafe là chất thải rắn phát sinh cuối cùng
của 2 quy trình là chế biến cafe hòa tan và pha cafe từ cafe bột rang xay.
 Chế iến cafe h a tan
Theo công ty TNHH cafe h a tan Thái H a (Đăk ăk), quy trình sản xuất
cafe h a tan gồm 4 giai đoạn: (1) trích ly; (2) cô đặc; (3) sấy khô; (4) hồi
hương. ượng bã cafe phát sinh từ giai đoạn trích ly của quy trình sản xuất.


Cafe
rang
xay

Cô đặc
Nồng độ
30 – 33%

Trích ly
o
80 - 90 C

Hồi
hương
o

80 -90 C

Sấy khô
Độ ẩm
1 – 2%

Bã
cafe

Hình 1.3. Sơ đồ dây chuyền sản xuất cafe hòa tan.
 ha chế cafe ột rang xay
Theo công ty cổ phần cafe Trung Nguyên (Bình Dương), cafe bột rang
xay được sản xuất từ nhân cafe sấy khô, rang với các chất phụ gia ở nhiệt độ
o

800 C. Sau đó, nhân cafe được ủ kín trong v ng 48 giờ để giảm nhiệt độ rồi
tiếp tục được xay nhuyễn với kích thước khoảng 1 mm. Bã cafe không phát
sinh trong quy trình chế biến này, nhưng phát sinh sau khi người tiêu d ng
pha cafe bột để uống. Quy trình pha chế cafe bột rang xay đến giai đoạn phát
sinh bã cafe được trình bày trong hình 1.4.

Nhân
cafe

Rang
o
800

Ủ
kín

Xay
1

C

48
giờ

mm

Cafe
bột

Pha
cafe

Bã
cafe

Hình 1.4. Sơ đồ dây chuyền sản xuất cafe ột rang xay.
1.2.2. Đặc tính bã cafe
Đặc tính của bã cafe sẽ ảnh hưởng đến sự lựa chọn phương pháp tái sử
dụng lượng chất thải này thành sản phẩm tái chế hữu dụng cho con người.


ột số thành phần đáng quan tâm của bã cafe được trình bày trong
bảng 1.2.
Bảng 1.2. Thành phần một số chất trong bã cà phê [28].
Thành phần

STT

các chất

Đơn vị

Giá trị
10 - 20

1

Xenlulozơ

g/100g

2

Chất tro

g/100g 2,5 - 4,5

3

Đường

g/100g

5 - 10

4

Lignin

g/100g

4

Nhờ cấu trúc xenlulozơ và lignin ở dạng xốp nên bã cafe còn được sử
dụng làm chất mang cho vật liệu compozit của
PANi.
 Xenlulozơ: là thành phần chính trong bã cafe [12]
- Trạng thái tự nhiên
Xenlulozơ là một polysaccarit cao phân tử, không có tính đường.
Xenlulozơ là thành phần chính của các tế bào thực vật. Nó có trong gốc và
sợi của các loại thực vật.
Thí dụ: bông là xenlulozơ gần như tinh khiết (98% xenlulozơ), gỗ có 4060% xenlulozơ. Xenlulozơ làm cho các mô thực vật có tính bền cơ học, có
tính đàn hồi và tạo thành bộ xượng nâng đỡ các loài cây. Xenlulozơ được tạo
thành trong cây nhờ quá trình quang hợp.
- Cấu trúc phân tử
Xenlulozơ có công thức phân tử (C6H10O5)n. Xenlulozơ bị thủy phân
hoàn toàn bằng dung dịch axit thu được một monosaccarit duy nhất là Dglucozơ.
Xenlulozơ đã được metyl hóa hoàn toàn, bị thủy phân thu được 2,3,6-triO-metyl-D-glucozơ.


Xenlulozơ được tạo ra bởi các mạch chứa các mắt xích D-glucozơ và
mỗi mắt xích này sẽ liên kết với C4 của mắt xích sau bằng liên kết glucozit.
Khi chế hóa xenlulozơ với anhidrit axetic và axit sunfuric, ta thu được
octa-O-axetalxelobiozơ. Rõ ràng tất cả các liên kết glicozit trong xenlulozơ
giống liên kết trong xenlobiozơ, nghĩa là liên kết β.

Xenlulozơ có phân tử khối vào khoảng 250.000-1.000.000 đvC. Trong
mỗi phân tử xenlulozơ có khoảng 1000 - 1500 mắt xích glucozơ.
Trong tự nhiên, xenlulozơ tồn tại dưới dạng sợi và các dạng sợi này lại
tạo thành bó rồi chuỗi nhờ các liên kết hidro. Xenlulozơ có cấu trúc sau:

Hình 1.5. Cấu trúc của xenlulozơ.
- Tính chất
+ Tính chất vật lí
Xenlulozơ là chất rắn màu trắng, không tan trong nước và không có mùi,
3

không vị. Có tỉ khối 1,51-1,52 g/cm , không tan trong các dung môi hữu cơ.
Nó khá bền với dung dịch kiềm loãng, axit vô cơ loãng và các chất oxi hóa
yếu.
Xenlulozơ chỉ tan trong nước Svayde (Schweitzer: Cu(OH) 2 + NH4OH),
axit HCl đặc, axit H3PO4 đặc, axit H2SO4 72% và một số dung dịch bazơ hữu
cơ bậc 4.
+ Tính chất hóa học
Xenlulozơ hầu như không có tính khử. Phản ứng hóa học xảy ra ở
xenlulozơ chủ yếu ở ancol đa chức và ở liên kết β-1,4-glucozit.


 Lignin
- Cấu trúc
Lignin là một đại phân tử raxemic chéo với khối lượng trên 10.000u.
Mức độ trùng hợp trong tự nhiên rất khó đo lường vì nó bị phân mảnh
trong quá trình chiết xuất và phân tử bao gồm các loại cấu trúc con, dường
như lặp lại một cách ngẫu nhiên.
ignin bao gồm các monome aromatic liên kết, phân nhánh rượu
p- Coumaryl, rượu Coniferyl và rượu cồn. Rượu p-Coumaryl là một thành

phần nhỏ của lignin cỏ và thức ăn gia súc. Rượu Coniferyl là monome lignin
chủ yếu được tìm thấy trong gỗ mềm. Cả hai loại rượu coniferyl và
sinapyl là những khối xây dựng của gỗ cứng lignin. Hình 1.6. cho biết cấu
trúc hóa học của lignin[28].

Hình 1.6. Cấu trúc hóa học của lignin [29].