Tổng hợp và bước đầu nghiên cứu tính chất của vật liệu hấp thụ dầu từ bã mía luận văn tốt nghiệp đại học

Khoá luận tốt nghiệp Đại học

Lời cảm ơn
Để hoàn thành khóa luận này em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS.
Lê Đức Giang đà hết lòng hớng dẫn, chỉ bảo truyền đạt kiến thức và kinh
nghiệm quý báu cho em trong suốt quá trình hoàn thành khóa luận.
Em xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Hoàng Văn Lựu, ThS. Nguyễn Thị
Chung - Bộ môn Hóa hữu cơ, khoa Hóa trờng Đại học Vinh đà đóng góp nhiều
ý kiến quý báu cho khóa luận.
Em xin chân thành cảm ơn Ban chủ nhiệm khoa Hóa học, Ban giám hiệu
trờng Đại học Vinh, cùng các thầy cô giáo khoa Hóa học đà hết lòng giúp đỡ,
tạo mọi điều kiện thuận lợi để em hoàn thành khóa luận.
Tuy nhiên trong đề tài này còn nhiều khuyết điểm và thiếu sót nên mong
quý thầy cô và các bạn góp ý để em học hỏi kinh nghiệm, và từ đó tích lũy đợc
kinh nghiệm quý báu cho công tác nghiên cứu sau này cũng nh thực hiện khóa
luận này tốt hơn.
Cuối cùng, em xin cảm ơn lòng biết ơn sâu sắc tới cha mẹ, anh chị em
cùng bạn bè đà động viên, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện cho em hoàn thành
khóa luận này.
Sinh viên: Nguyễn Thị Thu Hoài

GVHD: TS. Lê Đức Giang

SVTH: Nguyễn Thị Thu Hoài


Khoá luận tốt nghiệp Đại học

Trờng Đại học Vinh
Khoa hóa học
********************

Nguyễn thị thu hoài

Tổng hợp và bớc đầu nghiên cứu tÝnh chÊt
Cđa vËt liƯu hÊp thơ dÇu tõ b· mÝa

Khãa luận tốt nghiệp đại học
Chuyên ngành: hóa hữu cơ

Vinh, 2011
GVHD: TS. Lê Đức Giang

SVTH: Nguyễn Thị Thu Hoài


Khoá luận tốt nghiệp Đại học
MụC LụC
Trang phụ bìa
Lời cảm ơn
Mục lục
Danh mục các kí hiệu và chữ viết tắt
Danh mục các bảng
Danh mục các hình
Mở đầu..............................................................................................................1
Chơng 1: tổng quan....................................................................................3
1.1.Tràn dầu và các biện pháp xử lý ở Việt Nam và thế giới...............................3
1.1.1. Tràn dầu ở Việt Nam và thế giới.................................................................3
1.1.2. Một số biện pháp khắc phục.......................................................................9
1.2. Vật liệu hấp thụ dầu ......................................................................................9
.................................................................................................................................

1.2.1. Phân loại vật liệu hấp thụ dầu.....................................................................9
1.2.2.Yêu cầu kỹ thuật của các loại vật liệu hấp thụ dầu...................................11
.................................................................................................................................
1.2.3.. Cơ sở khoa học và cơ chế làm việc cđa vËt liƯu hÊp thơ dÇu.................12
1.3. VËt liƯu hÊp thơ dầu trên cơ sở xenlulozơ...................................................13
1.3.1.Sợi thực vật và thành phần hoá học của sợi thực vật .................................14
1.3.2.Cấu tạo phân tử và tính chất hoá học của xenlulozơ..................................15
1.4. Giới thiệu một số vật liệu hấp thụ dầu đang đợc sử dụng ...........................24
1.4.1. Corbol........................................................................................................24
1.4.2. Enretech cellusorb ...................................................................................25
Chơng 2: PHƯƠNG PHáP NGHIÊN CứU Và THựC NGHIệM..........28
2.1. Dụng cụ và hóa chất ....................................................................................28
.................................................................................................................................
2.1.1.Nguyên liệu và hóa chất.............................................................................28
2.1.2. Dụng cụ và thiết bị thí nghiệm.................................................................28
2.2. Thí nghiệm điều chế dẫn xuất xenlulozơ axetat .........................................28
GVHD: TS. Lê Đức Giang

SVTH: Nguyễn Thị Thu Hoài


Khoá luận tốt nghiệp Đại học
2.2.1. Xử lí nguyên liệu thô (bà mía)..................................................................28
2.2.2. Phản ứng axetyl hoá xenlulzơ từ bà mía phế thải với anhydrit axetic
và xúc tác là axit sunfuric ..................................................................................29
2.3. Phơng pháp khảo sát cấu trúc của xenlulozơ axetat....................................29
2.4. Phơng pháp xác định độ axetyl hoá (DAc)..................................................29
2.5. Xác định khả năng hút nớc của các dẫn xuất xenlulozơ axetat...................30
2.6. Xác định khả năng hấp thụ dầu của vật liệu hấp thụ dầu............................30
Chơng 3: kết quả nghiên cứu và thảo luận............................32

3.1. Kết quả khảo sát cấutrúc của xenlulozơ axetat bằng phổ hồng ngoại ........32
3.2. Kết quả khảo sát hình thái học của vật liệu ................................................34
3.3. Kết quả xác định độ axetyl hóa xenlulozơ axetat........................................35
3.4. Kết quả khảo sát một số tính chất của xenlulozoaxetat...............................36
3.4.1. Khảo sát khả năng hút nớc........................................................................36
3.4.2. Khảo sát khả năng hấp thụ dầu.................................................................37
Kết luận ......................................................................................................39
Tài liệu tham khảo

GVHD: TS. Lê Đức Giang

SVTH: Nguyễn Thị Thu Hoµi


Khoá luận tốt nghiệp Đại học

DANH MụC CáC Kí HIệU Và CHữ VIếT TắT
AGU:

Anhydro--D glucopyranozơ

DAc :

Mc axetyl hoá

DMAc :

N,N-dimetyl a xê-tamit

DMAP:

4-dimetylamino pyridin

DMSO:

Dimetylsulfoxit

DMF:

Dimetylformamit

DS:

Degree of substitution

NBS :

N-bromosuccinimide

PCB:

polyclorua biphenyl

PE:

polyetylen

PP:

polypropylen

PU:

polyuretan

GVHD: TS. Lê Đức Giang

SVTH: Nguyễn Thị Thu Hoài


Khoá luận tốt nghiệp Đại học

DANH MụC CáC BảNG
Bảng

Nội dung

Trang

Nội dung

Trang
1.1

Thành phần hóa học của một số loại sợi thực vật .........................15

2.1

Các loại dầu sử dụng thí nghiệm ...................................................31

3.1

Một số dải hấp thụ đặc trng cho các dao động của một số
nhóm chức chính của xenlulozơ axetat...............................33
.................................................................................................

3.2

Kết quả xác đinh mức độ axetyl hoá xenlulozơ axetat .................35

3.3

Kết quả xác định khả năng hút nớc của sản phẩm.........................37

3.4

Kết quả thí nghiệm với dầu diesel..................................................38

3.5

Kết quả thí nghiệm với dầu HD40................................................38

DANH MụC CáC HìNH
Hình

Nội dung

Trang

1.1

Cấu trúc phân tử xenlulozơ ............................................................16

1.2

Cấu trúc phân tử ligin.....................................................................16

1.3

Cấu trúc phân tử pectin...................................................................16

GVHD: TS. Lê Đức Giang

SVTH: Nguyễn Thị Thu Hoài


Khoá luận tốt nghiệp Đại học
1.4

Liên kết hydro trong và ngoai mạch xenlulozơ..............................17

1.5

Liên kết hydro giữa các lớp xenlulozơ...........................................18

3.1

Phổ hồng ngoại của xenlulozơ axetat.............................................33

3.2

ảnh SEM của xenlulozơ bà mía trớc khi phản ứng.......................34

3.3

ảnh SEM của xenlulozơ axetat......................................................35

Mở ĐầU
Ô nhiễm môi trờng là một trong những thách thức to lớn có ảnh hởng
nghiêm trọng đến sự phát triển của đất nớc. Chính vì vậy, Bộ Giáo dục và Đào
tạo đà thực hiện đề án đa các nội dung đề bảo vệ môi trờng vào hệ thống giáo
dục quốc dân nhằm mục đích đóng góp vào việc giảm thiểu ô nhiễm môi trờng
trên cơ sở những hiểu biết cơ bản, có tác dụng lan tỏa trong xà hội để từ đó tạo
ra đợc ý thức và hành động thờng xuyên, nhằm bảo vệ môi trờng một cách bền
vững.
Thời gian qua, tràn dầu đà trở thành một trong những sự cố môi trờng
xảy ra trên thế giới cũng nh tại Việt Nam. Việc xư lý, kh¾c phơc cịng nh thđ
tơc båi thêng cho công tác này gặp không ít khó khăn, đòi hỏi sự phối hợp tốt
giữa cơ quan bảo vệ pháp luật và cơ quan quản lý nhà nớc nhằm khắc phục và
xử lý một cách nhanh chóng, kịp thời. ở nhiều nớc trên thế giới cũng nh ở Việt
Nam, các biện pháp thờng đợc áp dụng để khắc phục sự cố tràn dầu đó là: cơ
học, sinh học và hoá học. Đối với biện pháp cơ học, thực hiện quây gom, dồn
dầu vào một vị trí nhất định để tránh dầu lan trên diện rộng. Sử dụng phao ngăn
dầu để quây khu vực dầu tràn, hạn chế ô nhiễm lan rộng và để thu gom xử lý.
Sau khi dầu đợc quây lại dùng máy hớt váng dầu hút dầu lên kho chứa. Ưu
GVHD: TS. Lê Đức Giang

SVTH: Nguyễn Thị Thu Hoài

Khoá luận tốt nghiệp Đại học
điểm của biện pháp này là ngăn chặn, khống chế và thu gom nhanh chóng lợng
dầu tràn tại hiện trờng.
Ngoài ra, có thể áp dụng biện pháp hoá học khi có hoặc không có sự làm
sạch cơ học và dầu tràn trong một thời gian dài. Cụ thể, sử dụng các chất phân
tán; các chất phá nhũ tơng dầu - nớc; các chất keo tụ và hấp thụ dầu...để xử lý.
Với biện pháp sinh học là dùng các vi sinh vật phân giải dầu nh vi khuẩn, nấm
mốc, nấm men... Tuy nhiên, khi xảy ra sự cố tràn dầu thì biện pháp cơ học đợc
xem là tiên quyết cho công tác ứng phó sự cố tràn dầu tại các sông, cảng biển.
Trong giai đoạn hiện nay, xuất phát từ những vấn đề nh: bảo vệ môi trờng, yêu cầu các sản phẩm mới có nguồn gốc tự nhiên để hạn chế hậu quả của
dầu tràn đến môi trờng trong thời gian dài, có nhiều phơng pháp khác nhau đÃ
đợc nghiên cứu và áp dụng để thu gom dầu tràn ra khỏi môi trờng nớc. Một
trong các phơng pháp đang đợc nhiều ngời quan tâm hiện nay là tận dụng các
phụ phẩm nông nghiệp, công nghiệp làm vật liệu hấp thụ dầu. Phơng pháp này
có u điểm là sử dụng nguồn nguyên liệu rẻ tiền, sẵn có và không đa thêm vào
môi trờng các tác nhân độc hại khác.
Một trong các nguồn phụ phẩm công nghiệp có khối lợng lớn ở nớc ta là
bà mía. Bà mía với thành phần chính là các xenlulozơ và hemixenlulozơ rất
thích hợp cho việc nghiên cứu biến đổi tạo ra các vật liệu hấp thụ để hấp thụ
dầu.
Chính vì lẽ đó mà chúng tôi đà chọn đề tài khóa luận là: Tổng hợp và bớc đầu nghiên cứu tính chất của vật liệu hấp thụ dầu từ bà mía.
Mục đích và nhiệm vụ của khoá luận
- Điều chế vật liệu hấp thụ dầu từ bà mía bằng phản ứng axetyl hoá
xenlulozơ từ bà mía phế thải với anhyđrit axetic và xúc tác axit sunfuric đặc.
- Khảo sát cấu trúc của xenlulozơ axetat bằng phổ hồng ngoại và hình
thái học của vËt liƯu b»ng kÝnh hiĨn vi ®iƯn tư qt (SEM).
- Xác định độ axetyl hoá và cấu trúc của xenlulozơ axetat.
- Khảo sát khả năng hấp thụ dầu và hút nớc của vật liệu.

GVHD: TS. Lê Đức Giang

SVTH: Nguyễn Thị Thu Hoµi


Khoá luận tốt nghiệp Đại học

Chơng 1: TổNG QUAN
1.2.Tràn dầu và các biện pháp xử lý ở Việt Nam và thế giới
1.1.1. Tràn dầu ở Việt Nam và thế giới
Sự cố tràn dầu hiện nay đang là mối hiểm họa tiềm tàng đối với các quốc
gia ven biển. Tại nhiều vïng biĨn cđa nhiỊu qc gia cã biĨn, hiƯn tỵng thủy
triều đen diễn ra rất phổ biến. Có nhiều nguyên nhân gây ra tình trạng này nh va
chạm, tai nạn của các phơng tiện vận tải thủy (đặc biệt là tàu chở dầu), sự cố
giàn khoan, sự cố phun dầu do biến động địa chất, đổ trộm dầu thải trên biển...
Thời gian gần đây, khi lợng phơng tiện đờng thủy nội địa ngày càng tăng
và vận tải đờng thủy nội địa ngày càng trở nên quan trọng, chiếm tỷ trọng cao
trong ngành vận tải thì số lợng tai nạn đờng thủy cũng nh các sự cố tràn dầu
lớn, nghiêm trọng cũng đang ngày càng trở thành vấn đề nhức nhối. Hiện tợng
rò rỉ hay tràn xăng dầu trên sông ảnh hởng rất lớn đến hệ sinh thái nớc, đến
cuộc sống của ngời dân sống hai bên bờ sông.
Các sự cố tràn dầu thờng để lại hậu quả rất nghiêm trọng làm ô nhiễm
môi trờng, ảnh hởng đến môi trờng sinh thái, tài nguyên thủy sinh, tài nguyên
nớc, tài nguyên đất trên một khu vực khá rộng, gây thiệt hại đến các hoạt động

GVHD: TS. Lê Đức Giang

SVTH: Nguyễn Thị Thu Hoµi


Khoá luận tốt nghiệp Đại học

kinh tế, đặc biệt là các hoạt động có liên quan đến khai thác và sử dụng các
dạng tài nguyên thủy sản.
Thông thờng, tàu thuyền khi cập cảng để bốc xếp hàng hoá lên bờ xong
sẽ vệ sinh tàu để chuẩn bị cho đợt hàng mới. Công việc này thờng phát sinh
nhiều chất thải ở dạng dầu cặn. Tùy theo tải trọng và tình trạng kỹ thuật tàu mà
lợng dầu cặn phát sinh nhiều hay ít.
ở Việt Nam:
Thời gian qua, tràn dầu đà trở thành một trong những sự cố môi trờng
xảy ra tại Việt Nam. ViƯc xư lý, kh¾c phơc cịng nh thđ tơc bồi thờng cho công
tác này gặp không ít khó khăn, đòi hỏi sự phối hợp tốt giữa cơ quan bảo vệ pháp
luật và cơ quan quản lý nhà nớc nhằm khắc phục và xử lý một cách nhanh
chóng, kịp thời.
Ngày 24/8/2006, tàu La Palmas (quốc tịch nớc ngoài) có trọng tải
31.000 tấn, chuyên chở 23.000 tấn dầu DO trong lúc cập cảng Sài Gòn đà va
vào cầu cảng và làm tràn hơn 1500 tấn dầu ra môi trờng. Ngoài ra, còn có 150
tấn xăng tràn ra từ hệ thống ống dẫn của cầu cảng. Dù đà ứng phó sự cố kịp
thời, nhng chỉ sau 9 giờ, váng dầu đà lan rộng cách khu vực xảy ra sự cố 4050km theo phía hạ lu sông Sài Gòn. Tiếp đó, do thủy triều lên, váng dầu bị đẩy
ngợc lên thợng lu cách nơi xảy ra sự cố 4-5km. Sau 15 ngày, diện tích bị ảnh hởng bởi tràn dầu là 60.000 ha bao trùm một khu vực lớn dọc theo sông Sài Gòn,
trong đó diện tích bị ô nhiễm nặng nhất là 40.000 ha.
Tiếp đó, tháng 6/2009, tàu Nhật Thuần đà chìm sâu xuống biển Vũng
Tàu sau khi bùng cháy trong khoảng 2 giờ liền. Theo Sở Tài nguyên Môi trờng
tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu, tại thời điểm xảy ra tai nạn, trong tàu Nhật Thuần có
chứa khoảng 1.795m3 dầu cặn và chất thải lẫn dầu...
Ngày 23/6/2010, chiếc sà lan Huỳnh Nhi 01, số đăng ký BL- 0304, tải
trọng 250 tấn bất ngờ bị chìm vắt ngang khu vực dới cầu Tôn Đức Thắng (cầu
Bạc Liêu 2) thuộc phờng 1, thị xà Bạc Liêu, tỉnh Bạc Liêu khi sà lan trên cố vợt
cạn trên sông kinh xáng Bạc Liêu - Cà Mau để vào bến bốc xếp, vớng phải vật

GVHD: TS. Lê Đức Giang

SVTH: Nguyễn Thị Thu Hoài


Khoá luận tốt nghiệp Đại học
cản dới lòng sông nên bị chìm. Dầu dự trữ trên sà lan đà tràn ra chảy theo dòng
nớc, gây ô nhiễm nguồn nớc nuôi trồng thủy sản ở địa phơng.
Ngày 27/4/2010 khi đang từ cửa sông ra biển, đến vị trí neo A12 (thuộc
vùng biển Sao Mai, phờng 5, thành phố Vũng Tàu, cách đất liền hơn 1 km), tàu
Biển Đông 50, của Công ty Hải sản Trờng Sa chở dầu đà bất ngờ bị chìm tại
vùng biển Vũng Tàu. Khi gặp nạn, tàu Biển Đông 50 chở theo hơn 370 tấn dầu
DO và hơn chục thùng phi nhớt. Ngay sau khi bị chìm, dầu đà loang ra mặt biển
còn các phi nhớt nổi lềnh bềnh. Chỉ sau khoảng vài giờ đồng hồ, dầu đà loang
rộng trên biển thành vệt dài. Xung quanh vị trí tàu chìm có mùi dầu bốc lên.
Trên đây chỉ là các ví dụ gần nhất về sự cố tràn dầu trong số các vụ tràn dầu lớn
xảy ở nớc ta. Theo thống kê của Sở Tài nguyên và Môi trờng TP.HCM, bình
quân 1 năm trên sông Sài Gòn xảy ra hơn 1 vụ tràn dầu do các phơng tiện va
chạm hoặc do bơm hút rò rỉ. Đặc biệt, ven sông Sài Gòn có nhiều đơn vị hoạt
động trong ngành Dầu khí, tiềm ẩn nguy cơ tràn dầu gây ô nhiễm môi trờng.
Trong khi đó, sông Sài Gòn cùng hệ thống sông Đồng Nai là nguồn cung cấp nớc sạch cho các địa phơng TP.HCM, Đồng Nai, Tây Ninh. Nhà máy lọc dầu Cát
Lái, Xí nghiệp xăng dầu Cát Lái (Q.2, TP.HCM), Xí nghiệp xăng dầu Petechim
- Nhà Bè, Công ty TNHH Thơng mại sản phẩm hoá dầu và Nhà máy nhiệt điện
Hiệp Phớc (huyện Nhà Bè) nằm trong danh sách tiềm ẩn nguy cơ tràn dầu.
Ngoài ra, vịnh Gành Rái (khu vực giáp ranh giữa TP. HCM và tỉnh Bà Rịa Vũng Tàu) cũng nằm trong danh sách kể trên vì trên tuyến sông ra vịnh, mỗi
ngày có khoảng hơn 40 sà lan vận chuyển xăng dầu di chuyển có nguy cơ va
trạm cao. Điều nguy hiểm là những sà lan này đều đà cũ lại thiếu thiết bị hỗ trợ
an toàn khi lu thông...
Các sự cố tràn dầu thờng để lại hậu quả rất nghiêm trọng làm ô nhiễm
môi trờng, ảnh hởng đến môi trờng sinh thái, tài nguyên thủy sinh, tài nguyên
nớc, tài nguyên đất trên một khu vực khá rộng, gây thiệt hại đến các hoạt động
kinh tế. Điều này đòi hỏi cần thiết phải có những biện pháp mang tính đồng bộ

và hiệu quả để khắc phục tình trạng trên.
Trên thế giới:
GVHD: TS. Lê Đức Giang

SVTH: Nguyễn Thị Thu Hoài


Khoá luận tốt nghiệp Đại học
Trên thế giới từ xa đến nay cũng có nhiều vụ tràn dầu gây ảnh hởng
nghiêm trọng đến con ngời và môi trờng nh:
Trong chiến tranh thế giới thứ hai, tàu ngầm Đức đà làm chìm 42 tàu chở
dầu ở phía Tây của Mỹ và ®· lµm trµn 417.000 tÊn (Koous and Jonhs, 1992)
Ngµy 18/03/1967, tàu chở dầu Torrey Cannon bị tai nạn chìm tại eo biển
Manche giữa Cornwall (Anh) và Bretagne (Pháp), đổ 120.000 tấn dầu ra biển,
gây ô nhiễm nghiêm trọng.
Kênh Santa Barbara (một vùng khai thác dầu hỏa có trong lòng đất) ở
phía Tây California xuất hiện những vết dầu trên bề mặt đại dơng tạo ra dầu hỏa
và hắc ín trên các bÃi biển và hắc ín ở đất liền. Lợng dầu này chảy ra từ các mỏ
dầu cạn và các mỏ ngầm lên bề mặt qua các khe hở hay nền đá xốp. Ước tính
tốc độ rò rỉ dầu này ra đại dơng khoảng 3.000- 4.000 tấn/năm (Allan 1970).
Năm 1969, những thông tin sinh thái học đợc đa ra (Straughan và Abbott 1971),
tổng số lên tới 10.000 tấn dầu thô bị tràn ra làm ô nhiễm hoàn toàn con kênh và
hơn 230km đờng bờ biển, ô nhiễm trung bình ở bờ biển bởi phế phẩm dầu là 15
tấn/km so với 10,5 tấn/km ở vùng lân cận bởi dầu hỏa tự nhiên và 0,03 tấn/km
cho tất cả các bÃi biển California.
Tai nạn dầu lớn trên thế giới xảy ra vào năm 1979. Từ tai nạn IXTOCI,
một vụ tràn dầu xảy ra ở vị trí cách bờ tây Mehico 80km (ACOPS 1980,
Kornberg 1981). Tốc độ lan dầu rất lớn 6400 m3/ngày và xảy ra hơn 9 tháng
mới tắt hẳn, ớc tính có khoảng 476.000 tấn dầu thô bị tràn ra, trong vòng một
tháng vết loang đạt đến 180 km dài và rộng tới 80 km, ớc tính 50% lợng dầu

tràn bị hóa hơi vào khí quyển, 25% lợng dầu tràn bị lắng xuống đáy, 12% bị
phân hủy nhờ sinh vật và quá trình quang hóa, 6% bị chuyển hóa hay bốc hỏa,
6% trôi nổi và làm ô nhiễm khoảng 600km bờ biển Mehico và 1% dạt vào đất
liền trên các bÃi biển Taxas (Ganhing, 1984).
Trong chiÕn tranh Iran Irac (1981-1987) cã 314 cuộc tấn công vào tàu
chở dầu tức có 70% dầu đợc ngời Irac chuyên chở và 30% dầu ngời Iran chuyên
chở. Đây là sự kiện tràn dầu lớn bắt đầu vào 3/1983 khi Irac tấn công vào 5 tàu
chở dầu tại bờ biển Nowrnz, làm thiệt hại 3 quy trình sản xuất dầu tại bờ biển
GVHD: TS. Lê Đức Giang

SVTH: Nguyễn Thị Thu Hoài


Khoá luận tốt nghiệp Đại học
Nowrnz, đó là điều kiện tạo nên tràn dầu ở vùng Persian Gruff, ớc tính khoảng
260 ngàn tấn (Holloway and Horgan 1991, Horgan,1991)
Ngày 23/3/1989, chiếc tàu chở dầu Exxon Valdez rời cảng dầu Valdez,
Alaska (Mỹ), mang theo 200 triệu lít dầu thô tới Long Beach, California, Mỹ.
Con tàu này đà vớng vào dải san hô Bligh, làm khoảng 40 triệu lít dầu thô tràn
ra vùng eo biển nguyên sơ Prince William, gây nên thảm họa môi trờng lớn
nhất trong lịch sử nớc Mỹ: 2250 km bờ biển tràn ngập dầu. Khoảng 10.000
công nhân, 1.000 tàu thuyền và 100 máy bay các loại đà đợc huy động để khắc
phục sự cố. Tuy vậy, thảm họa tàu Exxon Valdez với mức độ hủy hoại môi trờng mà nó gây ra vẫn hết sức nghiêm trọng. Cho đến nay, dù sự tích của sự cố
đà gần nh phai mờ, du lịch ở đây cũng đà phát triển trở lại, nhng tại những vùng
xa xôi nhất trong khu vực, vệt dầu nằm sâu vài gang tay dới lòng đất vÉn tiÕp
tơc rØ ra biĨn, tån t¹i díi d¹ng tói nằm rải rác trên bờ biển. Một số loài nh chim
lặn gavia, hải cẩu, vịt hề và cá trích Thái Bình Dơng vẫn cha có dấu hiệu phục
hồi.
Năm 1991, trong chiến tranh Vùng Vịnh, Irac cố ý bắn phá tàu dầu của
Kô oét, làm tràn 8 tỉ tấn dầu vào vịnh Ba T khiến xăng dầu tràn ngập trên khắp

bề mặt đại dơng ảnh hởng đến nhiều nớc nh Kô oét, ả Rập.
Ngày 2 /12/1999, tàu dầu Erika thuộc sở hữu của Total SA đà gÃy làm
đôi và chìm tại vùng biển phía Tây Pháp, làm tràn hơn 20.000 tấn dầu ra Đại
Tây Dơng. Ngày 14/4/2001, tàu Zainab (Iraq), vận chuyển khoảng 1.300 tấn
dầu thô, bị chìm trên đờng tới Pakistan. XÊp xØ 300 tÊn dÇu (vÉn cha cã con số
chính xác) đà tràn xuống biển, trớc khi ngời ta kịp hàn lỗ thủng ở thân tàu. Sự
cố tràn dầu này là thảm họa môi trờng lớn nhất ở các Tiểu Vơng Quốc ả Rập
thống nhất suốt mấy năm qua.
Ngày 02/12/2002, tàu Prestige đà bị vỡ đôi ngoài bờ biển Galicia, phía
Tây Bắc Tây Ban Nha do va vào đá ngầm làm tràn ra 77.000 tấn dầu. Vết loang
đà mở rộng hơn 5.800km2. Đây là thảm họa sinh thái tồi tệ nhất từ trớc đến nay.

GVHD: TS. Lê Đức Giang

SVTH: Nguyễn Thị Thu Hoài


Khoá luận tốt nghiệp Đại học
Ngày 11/11/2007, 2.000tấn dầu loang ra Biển Đen sau khi một cơn bÃo
đánh vỡ đôi tàu chở nhiên liệu của Nga. Chuyên gia môi trờng Nga coi đây là
một thảm họa thiên nhiên nghiêm trọng.
Ngày 07/12/2007, một sà lan đâm vào một chiếc tàu chở dầu ở ngoài
khơi bờ biển phía Tây Hàn Quốc làm 10.280 tấn dầu đà tràn ra trên 40 km đờng
bờ biển, đến cuối ngày 9/12 họ đà thu dọn đợc khoảng 514 tấn dầu, chiếm
khoảng 5% tổng lợng dầu tràn ra biĨn. Vµo lóc 7 giê 30 phót ngµy 07 tháng 12
năm 2007 theo giờ địa phơng (22 giờ 30 phút ngày 06 tháng 12 năm 2007 theo
giờ UTC), một chiếc sà lan của hÃng công nghiệp nặng Samsung đợc kéo bởi
một chiếc tàu lai đà đâm vào tàu chở dầu thô của Hongkong đang neo đậu với
260.000 tấn dầu thô bên trong. Vụ việc này xảy ra gần khu vực cảng Hàn Quốc
tại bờ biển Hoàng Hải, cách thủ đô Seoul 120 km về phía Tây Nam. Chiếc Salan

đâm vào tàu Hebei Spirit đà trôi tự do sau khi dây nối với chiếc tàu lai bị đứt vì
thời tiết xấu. Mặc dù không có thơng vong về ngời nhng vụ đâm va này đà tạo
ra 3 lỗ thủng trên vỏ tàu Heibei Spirit làm cho khoảng 10.800 tấn dầu thô tràn
ra biển Hoàng Hải. Số dầu còn lại trong 3 két bị thủng đà đợc bơm vào các két
khác. Vụ tràn dầu xảy ra gần khu vực bÃi biển Mallip, nơi đợc coi là bÃi biển
đẹp và a chuộng nhất Hàn Quốc.
Ngày 24/09/2008, một đoạn dài 15 km trên sông Loire, con sông lớn
nhất nớc Pháp, đà bị ô nhiễm dầu máy do sự cố xảy ra trong khi thực hiện quy
trình bảo dỡng kỹ thuật tại một nhà máy điện nguyên tử gần đó.
Ngày 28/10/2010, Thảm họa Deepwater Horizon đà đợc các ớc tính mới
nhất của chính phủ Hoa Kỳ xác nhận là sự cố rò rỉ dầu ra biĨn lín nhÊt tõ tr íc
tíi nay. H¬n 750.000 lít dầu thô rò rỉ mỗi ngày từ giàn khoan dầu Deepwater
Horizon của HÃng dầu khí Anh BP trên vịnh Mexico đà lan ra xa gần 200km tới
vùng cửa sông Mississippi, đe dọa hệ sinh thái ngập mặn Louisiana, dọc vịnh
Mexico. Giàn khoan Deepwater Horizon trị giá 560 triệu USD bùng cháy dữ dội
sau sự cố nổ giếng dầu ngày 20/4/2010. Sự cố này làm thiệt mạng 11 ngời, và 2
ngày sau đó thì giàn khoan chìm xuống biển. Khói bốc lên từ mặt biển phủ đầy
dầu đang đợc đội dọn dẹp đốt ở khu vực gần giàn khoan D.H. Ước tính một lGVHD: TS. Lê Đức Giang

SVTH: Nguyễn Thị Thu Hoµi


Khoá luận tốt nghiệp Đại học
ợng dầu tơng đơng 5 triệu thùng đà tràn ra biển; khiến sự cố tràn dầu này trở
thành vụ tràn dầu lớn nhất thế giới từ trớc đến nay.
Các sự cố tràn dầu thờng để lại hậu quả rất nghiêm trọng làm ô nhiễm
môi trờng, ảnh hởng đến môi trờng sinh thái, tài nguyên thủy sinh, tài nguyên
nớc, tài nguyên đất trên một khu vực khá rộng, gây thiệt hại đến các hoạt động
kinh tế. Điều này đòi hỏi cần thiết phải có những biện pháp mang tính đồng bộ
và hiệu quả để khắc phục tình trạng trên.

1.1.2. Một số biện pháp khắc phục
ở nhiều nớc trên thế giới cũng nh ở Việt Nam, các biện pháp thờng đợc
áp dụng để khắc phục sự cố tràn dầu đó là: cơ học, sinh học và hoá học. Đối với
biện pháp cơ học, thực hiện quây gom, dồn dầu vào một vị trí nhất định để tránh
dầu lan trên diện rộng. Sử dụng phao ngăn dầu để quây khu vực dầu tràn, hạn
chế ô nhiễm lan rộng và để thu gom xử lý. Sau khi dầu đợc quây lại dùng máy
hớt váng dầu hút dầu lên kho chứa. Ưu điểm của biện pháp này là ngăn chặn,
khống chế và thu gom nhanh chóng lợng dầu tràn tại hiện trờng.
Ngoài ra, có thể áp dụng biện pháp hoá học khi có hoặc không có sự làm
sạch cơ học và dầu tràn trong một thời gian dài. Cụ thể, sử dụng các chất phân
tán; các chất phá nhũ tơng dầu - nớc; các chất keo tụ và hấp thụ dầu...để xử lý.
Với biện pháp sinh học là dùng các vi sinh vật phân giải dầu nh vi khuẩn, nấm
mốc, nấm men... Tuy nhiên, khi xảy ra sự cố tràn dầu thì biện pháp cơ học đợc
xem là tiên quyết cho công tác ứng phó sự cố tràn dầu tại các sông, cảng biển.
Và việc xử lí sự cố tràn dầu bằng biện pháp cơ học sẽ không triệt để mà còn để
lại vết tích của dầu ảnh hởng đến con ngời, môi trờng, và sinh vật.
1.2. Vật liệu hấp thụ dầu
1.2.1. Phân loại vật liệu hấp thụ dầu
Vật liệu hấp thụ dầu đợc chia thành 3 loại chính sau [10,30-32]:
GVHD: TS. Lê Đức Giang

SVTH: Nguyễn Thị Thu Hoài


Khoá luận tốt nghiệp Đại học
a. Vật liệu hấp thụ dầu hữu cơ tổng hợp:
Hiện nay, vật liệu hấp thụ dầu chủ yếu đợc chế tạo từ các loại polyme
hữu cơ tổng hợp nh polypropylen (PP), polyetylen (PE), polyuretan (PU),
polyeste, polyamit (nylon), copolyme khối trên cơ sở của alkylstyren;

polycacbodiimit, các loại copolyme khối trên cơ sở PP và PE.
Các loại vật liệu hấp thụ dầu từ polyme hữu cơ tổng hợp có các u và nhợc
điểm chính sau:
u điểm: nhẹ vì có tỷ trọng thấp; không hoặc ít hút nớc; có tính năng cơ-lý
cao; bền với môi trờng và hoá chất; khả năng hấp thụ dầu cao; có thể sản xuất
công nghiệp nên có sẵn trên thị trờng; dễ dàng gia công thành sợi và từ đó dễ
dàng tạo thành các sản phẩm khác nhau nh các loại phao, gối, chăn, khăn,v.v...
rất tiện dụng cho công tác ứng cứu các sự cố tràn dầu;
Nhợc điểm: giá thành cao; không bị phân huỷ sinh học, gây ô nhiễm môi
trờng thứ cấp nghiêm trọng.
b.Vật liệu hấp thụ dầu hữu cơ có nguồn gốc thiên nhiên:
Các sản phẩm và phế thải nông nghiệp nh các loại sợi bông (bông vải,
bông gạo, ), các loại cỏ bông, rêu than bùn, rơm rạ, lõi ngô, bà mía, mùn ca,
sợi gỗ, một số loại vỏ cây và nhiều loại vật liệu trên cơ sở xenlulozơ biến tính
khác.
Các loại vật liệu hấp thụ dầu hữu cơ có nguồn gốc thiên nhiên kể trên
cũng có các u và nhợc điểm chính sau:
u điểm: giá thành rẻ, có nguồn gốc thiên nhiên và khả năng tái sinh vô
tận, thân thiện với môi trờng và có khả năng tự phân huỷ sinh học. Phần lớn các
loại vật liệu hấp thụ dầu hữu cơ có nguồn gốc thiên nhiên có cấu trúc sợi nên
có thể dễ dàng gia công thành sợi và từ đó dễ dàng tạo thành các sản phẩm khác
nhau nh các loại phao, gối, chăn, khăn, tiện dụng cho công tác ứng cứu các sự
cố tràn dầu;

GVHD: TS. Lê Đức Giang

SVTH: Nguyễn Thị Thu Hoài


Khoá luận tốt nghiệp Đại học

Nhợc điểm: khả năng nổi kÐm v× cã tû träng cao, tÝnh a níc
(hydrophilicity) cao, tính a dầu (hydrophobicity) thấp vì thế vật liệu có khả
năng hấp thụ dầu thấp.
c. Vật liệu hấp thụ dầu vô cơ :
Nh các loại khoáng sét (vermiculite, diatomite, perlite, cát thạch anh,
thạch anh tinh thể, silica, natri bicacbonat), amberlite, khoáng sét hữu cơ,
zeolite, sợi thuỷ tinh, than chì, than hoạt tính, v.v
Các u và nhợc điểm chính của vật liệu hấp thụ dầu vô cơ kể trên nh sau:
ã u điểm: sẵn có, giá thành rẻ.
Nhợc điểm: có tỷ trọng cao, không tái sử dụng đợc, hút nớc, tính a dầu
(hydrophobicity) kém vì thế vật liệu có khả năng hấp thụ dầu thấp; khó khăn
trong vận chuyển và sử dụng vì phần lớn vật liệu hấp thụ dầu vô cơ đều ở dạng
bột hoặc hạt.
1.2.2.Yêu cầu kỹ thuật của các loại vật liệu hấp thụ dầu:
Để có thể trở thành các sản phẩm thơng mại, các loại vật liệu hấp thụ dầu
cần phải đáp ứng một số yêu cầu kỹ thuật sau [32]:
-Khả năng hấp thụ dầu cao và vận tốc hấp thụ dầu nhanh và hút nớc
thấp;
-Khả năng lu dầu cao trong quá trình vận chuyển;
-Khả năng thu hồi dầu (nhả hấp thụ) nhanh và bằng những phơng pháp
đơn giản nhất có thể;
-Có các tính chất cơ lý tốt và có khả năng tái sử dụng nhiều lần;
-Có tỷ trọng thấp, khả năng nổi cao trên mặt nớc;
-Chịu đợc các dung môi hoá chất thông dụng;
-Không bị phân huỷ quang hoá;
-Sẵn có và giá thành rẻ;
-Đáp ứng tiêu chuẩn về khả năng hấp thụ dầu trên 1kg vật liƯu hÊp thơ
dÇu nh sau:
+Theo World Catalogue of Oil Spill Response Products, 1997/1998
[33], th× nÕu 1kg vËt liƯu hÊp thơ dầu hấp thụ đợc khoảng dới 5kg dầu thì vật

GVHD: TS. Lê Đức Giang

SVTH: Nguyễn Thị Thu Hoài


Khoá luận tốt nghiệp Đại học
liệu hấp thụ dầu đợc xếp loại kém, không kinh tế và không có khả năng thành
sản phẩm thơng mại;
+Nếu 1kg vật liệu hấp thụ dầu hút dợc khoảng từ 5-10 kg dầu thì vật liệu
hấp thụ dầu đợc xếp loại khá, có khả năng thơng mại;
+Còn nếu 1kg vật liệu hấp thụ dầu hút đợc khoảng trên 10 kg dầu thì vật
liệu hấp thụ dầu đợc xếp loại tốt;
+Theo tiêu chuẩn của Nhật Bản thì vật liệu hấp thụ dầu đợc chấp nhận
nh một mặt hàng thơng mại thì phải có khả năng hấp thụ dầu ít nhất là 6kg dầu
trên1kg vật liệu hấp thụ dầu [23].
1.2.3.. Cơ sở khoa học và cơ chế làm việc của vật liệu hấp thụ dầu [3,31,34]
Các nhà khoa học cho rằng, quá trình hấp thụ dầu của các loại vật liệu
hấp thụ dầu là sự hút thấm bề mặt (sorption) [34].Trong một phạm trù rộng hơn
của quá trình hút thấm bề mặt, ngời ta chia làm 2 loại: quá trình hấp phụ
(adsorption) và quá trình hấp thụ (absorption). Điều khác nhau cơ bản giữa
hai hiện tợng này là ở mức độ tơng tác của chất bị hút thấm với chất hút thấm
và khả năng di chuyển tự do cđa chÊt bÞ hót thÊm trong chÊt hót thÊm. Trong
quá trình hấp phụ, chất bị hấp phụ tích tụ chủ yếu trên bề mặt hoặc vùng tiếp
xúc giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ. Ngợc lại, trong quá trình hấp thụ, chất
bị hấp thụ có thể chuyển dịch từ pha này sang pha khác và có thể thâm nhập vào
chất hấp thụ tới khoảng một vài nannomet (nm). Nh vậy, trong quá trình hấp thụ
dầu của các loại vật liệu hấp thụ dầu, trớc tiên xảy ra quá trình hấp phụ trên bề
mặt, tiếp theo là quá trình hấp thụ xảy ra là chính, đáp ứng sự đòi hỏi về khả
năng lu dầu cao của vật liệu hấp thụ dầu nh đà trình bày ở phần trên về yêu cầu
kỹ thuật của các loại vật liệu hấp thụ dầu. Vì thế trong tất cả các nghiên cứu,

ngời ta chỉ sử dụng thuật ngữ sự hấp thụ dầu (oil absorption) và vật liệu hấp
thụ dầu (oil absorbents).
Nguyên nhân của hiện tợng hút thấm bề mặt là do các lực hút lẫn nhau
giữa các phân tử của chất bị hấp thụ, chất hấp thụ và của dung môi. Nhìn chung
trong qúa trình hút thấm bề mặt, nhiều loại lực tơng tác với nhau cùng một lúc
nh các lực tơng tác hoá học (các liên kết hoá học, liên kết cầu hydro), các lực
GVHD: TS. Lê Đức Giang

SVTH: Nguyễn Thị Thu Hoµi


Khoá luận tốt nghiệp Đại học
tĩnh điện (ion-ion, ion-lỡng cực), các tơng tác vật lý khác nh lực Coulomb, lực
Van der Waals. Tuy nhiên, trong từng trờng hợp riêng biệt của quá trình hút
thấm bề mặt, có thể một loại lực này hoặc một loại lực kia đóng vai trò chủ chốt
hoặc quan trọng hơn [3,34].
Quá trình hấp thụ dầu của các loại vật liệu hấp thụ dầu chủ yếu dựa trên
nguyên lý của quá trình hấp phụ vật lý. Do đặc điểm của các hợp chất cao phân
tử (polyme) là những phân tử cực lớn (gọi là các đại phân tử), nên lực tơng tác
Van-der-Waals của các hợp chất cao phân tử là vô cùng lớn. Vì vậy khả năng
hấp thụ các loại dầu của các loại vật liệu hấp thụ dầu polyme ( tự nhiên và tổng
hợp) là rất lớn. Hiện tợng hấp phụ dầu (pha lỏng) lên bề mặt vật liệu hút dầu là
polyme (pha rắn), thực chất là hiện tợng pha rắn thấm ớt pha lỏng, tơng tự nh
hiện tợng hấp phụ, nghĩa là liên quan đến sự biến đổi sức căng bề mặt giữa các
pha tiếp xúc. Cũng nh quá trình hấp phụ, sự thấm ớt toả nhiệt. Một điều cần
phải nhắc đến là, đối với các vật liệu hấp phụ vô cơ dạng bột thì các đặc trng về
cấu trúc nh cấu trúc mao quản, cấu trúc lớp, các đặc trng hoá lý bề mặt nh diện
tích bề mặt riêng, các nhóm chức trên bỊ mỈt cđa chÊt hÊp phơ cã ý nghÜa rÊt
quan trọng, trong đó diện tích bề mặt riêng của chất hấp phụ càng lớn thì khả
năng hấp phụ càng cao. Đối với chất hấp thụ dầu là polyme thì các nhóm chức

trên bề mặt, các lỗ xốp, các mao quản, các khoảng trống và các khe hở trên
thành của các sợi polyme lại có ý nghĩa quan trọng hơn. Trong trờng hợp của
sợi xenlulozơ, ngoài những yếu tố trên, cấu tróc líp cịng cã ý nghÜa rÊt quan
träng trong qu¸ trình hấp thụ [12].
1.3. Vật liệu hấp thụ dầu trên cơ sở xenlulozơ
Hiện nay, vật liệu hấp thụ dầu chủ yếu đợc chế tạo từ các loại polyme
hữu cơ tổng hỵp nh PP, PE, PU, polyeste, polyamit (nylon), copolyme khèi trên
cơ sở của alkylstyren; polycacbodiimit, các loại copolyme khối trên cơ sở PP và
PE. Tuy nhiên, vì là vật liệu hấp thụ dầu chế tạo từ các loại polyme hữu cơ tổng
hợp không thân thiện với môi trờng và không bị phân huỷ sinh học nên sau khi
sử dụng làm vật liệu hấp thụ dầu, ngời ta không biết xử lý nh thế nào đối một
khối lợng lớn PP, PE, PU phế thải. Chỉ có 2 biện pháp để lựa chọn là chôn lấp
GVHD: TS. Lê Đức Giang

SVTH: Nguyễn Thị Thu Hoµi


Khoá luận tốt nghiệp Đại học
và đốt. Nhng về trớc mắt cũng nh về lâu dài, cả 2 biện pháp này đều là nguồn
gây ô nhiễm môi trờng thứ cấp nghiêm trọng. Nếu lựa chọn phơng pháp chôn
lấp thì các kết quả nghiên cứu đà chỉ ra rằng hàng trăm năm sau các loại vật liệu
hấp thụ dầu trên cơ sở polyme hữu cơ tổng hợp trên vẫn không bị phân huỷ hoặc
cha bị phân huỷ hết. Còn nếu lựa chọn phơng pháp đốt lại gây ra ô nhiễm môi
trờng nghiêm trọng hơn vì ngời ta biết rằng quá trình đốt tạo ra các hợp chất
hữu cơ vô cùng độc hại nh dioxin, furan, polyclorua biphenyl (PCB)... Để giải
quyết vấn đề quan trọng này, một hớng rất quan trọng khác trong lĩnh vực
vật liệu hấp thụ dầu đợc đặc biệt quan tâm nghiên cứu và phát triển là vật
liệu hấp thụ dầu trên cơ sở các loại polyme thiên nhiên, thân thiện với môi trờng
và có khả năng tự phân hủ sinh häc, nh vËt liƯu hÊp thơ dÇu tõ các sản phẩm
và phế thải nông nghiệp nh các loại sợi bông (bông vải, bông gạo, bông tai), các

loại cỏ bông, rêu than bùn, rơm rạ, lõi ngô, bà mía, mùn ca, sợi gỗ, một số loại
vỏ cây và nhiều loại vật liệu trên cơ sở xen-lu-lô biến tính khác. Để thấy tầm
quan trọng đặc biệt của vật liệu hấp thụ dầu trên cơ sở các loại polyme thiên
nhiên, thân thiện với môi trờng và có khả năng tự phân hủ sinh häc, ngêi ta cã
thĨ tham kh¶o mét thÝ dụ: chỉ tính riêng ở Mỹ trong năm 2000, trong khi vật
liệu hấp thụ dầu truyền thống trên cơ sở PP là 31 triệu tấn thì vật liệu hấp thụ
dầu trên cơ sở xenlulozơ đà lên tới 125 triệu tấn, tức là gấp tới hơn 4 lần, góp
phần thu hồi khoảng 40 triệu gallon dầu (khoảng 150-160 triệu tấn dầu) trong
một năm [19].
1.3.1.Sợi thực vật và thành phần hoá học của sợi thực vật [4,12]
Sợi thực vật, nh tên gọi của nó, thu đợc từ các loại cây. Thành phần hoá
học chính là xenlulozơ do đó chúng còn đợc gọi là sợi xenlulozơ.
Sợi thực vật đợc phân loại theo nguồn gốc của chúng trong cây, bao gồm:
sợi vỏ hay sợi thân, tạo thành các bó xơ bên trong vỏ của thân cây;sợi lá hay sợi
cứng: chạy dọc theo chiều dài lá của các cây một lá mầm; sợi len trong quả: ví
dụ nh bông là sợi thực vật quan trọng nhất.
Có tới hơn 250.000 loài thực vật bậc cao, tuy nhiên chỉ có một số rất ít
loài (<0,1 %) đợc khai thác cho những ứng dụng thơng mại.
GVHD: TS. Lê Đức Giang

SVTH: Nguyễn Thị Thu Hoài


Khoá luận tốt nghiệp Đại học
Thành phần chính của sợi thực vật ngoài xenlulozơ (một loại
polysaccarit) còn có các hemixenlulozơ (các loại đờng đơn nh

xylozơ,

manozơ), lignin, các hợp chất phenol, pectin, các hợp chất chiết đợc nh các loại

protein và một số loại khoáng chất vô cơ khác. (Xem cấu trúc của các hợp chất
chính trong các hình từ 1 đến hình 3). Xenlulozơ và hemixenlulozơ là các thành
phần a nớc chủ yếu của sợi thực vật. Ngợc lại, lignin là thành phần kỵ nớc.Thành phần hoá học chủ yếu của một số loại sợi thực vật theo phần trăm
khối lợng khô tuyệt đối đợc trình bày trong Bảng 1.1
Bảng 1.1: Thành phần hoá học của một số sợi thực vật [4]
Loại sợi
Đay
Dừa
Cọ
Lanh
Dứa
Chuối
Tre nứa
BÃ mía
Bông
Rơm rạ

Lignin(%)

Xenlulozơ

Hemixenlulozơ Pectin (%)

13
40-43
19
3
12,7
5
21-30

18-23
12

(%)
72
32-43
65
81
81,5
63-64
50-66
40-50
95
34-38

(%)
13
0,15-0,25
14
19
15-22
20-25
-

<1
4
2
-

1.3.2.Cấu tạo phân tử và tính chất hoá học của xenlulozơ

ã Cấu tạo phân tử xenlulozơ [12]
Xenlulozơ là một loại polyme thiên nhiên mạch thẳng (công thức phân tử
là [C6H7O2(OH)3]x) với đơn vị mắt xích là anhydro--D glucopyranozơ (viết tắt
là AGU), liên kết với nhau bằng liên kết glycosidic -(14) (Hình 1.1). Mỗi
một mắt xích AGU có các nhóm hydroxyl (OH) ở các vị trí C2, C3 và C6, có
khả năng tham gia nhiều phản ứng đặc trng cho các nhóm hydroxyl (OH) bậc
một và bậc hai. Cần lu ý rằng, các nhóm hydroxyl (OH) ở cuối mạch phân tử
xenlulozơ, tức là ở các vị trí C1 và C4, có các tính chất rất khác nhau: trong khi
nhóm hydroxyl (OH) ở vị trí C1 có các tính chất khử thì nhóm hydroxyl (OH)
ở vị trí C4 không có các tính chất này. Các nguyên tử ô xy của các nhóm
GVHD: TS. Lê Đức Giang

SVTH: Nguyễn Thị Thu Hoài


Khoá luận tốt nghiệp Đại học
hydroxyl cũng nh các nguyên tử ô xy trong các vòng AGU tham gia tạo các tơng tác nội và ngoại phân tử tạo cầu hydro và tham gia các phản ứng phân huỷ
khác nhau[12].
6
CH2OH

-

5
CH
O

-

O

4
1
CH

4
CH

5
3

2
3
CH CH

HO

OH OH

-

OH

6
H2C

O
2

1

O

OH

-x

Hình 1.1. Cấu trúc phân tử xenlulozơ

OH
O
OMe
O

O

HO

HO

OMe

Hình 1.2: Cấu trúc phân tử lignin
H

COO

OH

H

O

O
OH H

OH H
O

O H
COO

H

O
H

OH

Hình 1.3: Cấu trúc phân tử pectin
GVHD: TS. Lê Đức Giang

SVTH: Nguyễn Thị Thu Hoµi


Khoá luận tốt nghiệp Đại học
Phơng pháp nhiễu xạ tia X đà đợc sử dụng để nghiên cứu cấu trúc của
xenlulozơ. Ngời ta nhận thấy giản đồ nhiễu xạ tia X của xenlulozơ có những nét
đặc trng cho vật liệu tinh thể, trong đó tinh thể định hớng theo trục của xơ sợi.
Trong mạng tinh thể, các đoạn mạch đều xếp theo một hớng song song với

nhau. Các phân tử xenlulozơ có cấu trúc trật tự cao do độ cứng của vòng
anhydroglucozơ và lực hấp dẫn mạnh liên hợp với liên kết hydro của các nhóm
hydroxyl. Các liên kết hydro có thể tạo thành trong và ngoài mạch xenlulozơ
(Hình 4), cũng có thể tạo thành giữa các lớp xenlulozơ ( Hình 5).

Hình 1.4: Liên kết hydro trong và ngoài mạch xenlulozơ
Về mặt hình thái học (morphology), sợi xenlulozơ tự nhiên bao gồm một
lớp màng mỏng bề ngoài (thành sơ cấp) và một lớp thành thứ cấp dày hơn. Đa
số các xenlulozơ tinh thể đều tồn tại trong thành thứ cấp, khi quan sát dới kính
hiển vi điện tử, rõ ràng là chúng đợc tạo nên từ các hạt dạng sợi gọi là xơ. Các
xơ này nằm sát nhau và có đờng kính trong khoảng 10 micron. Mặt khác xơ lại
đợc tạo nên từ các vi sợi có đờng kính khoảng 100-150Ao với chiều dài không
xác định. Các vi sợi này sau đó lại có thể đợc tạo thành từ các đám đơn vị mịn
hơn đợc gọi là chuỗi mixen. Nhìn chung trong xenlulozơ tự nhiên, cấu trúc cơ

GVHD: TS. Lê Đức Giang

SVTH: Nguyễn Thị Thu Hoài


Khoá luận tốt nghiệp Đại học
bản của xenlulozơ có chiều dài khoảng l00-250nm, với tiết diện ngang 3-10nm,
các mạch xenlulozơ cã thĨ tr¶i qua nhiỊu vïng tinh thĨ (vïng trËt tự cao) với
vùng vô định hình và tồn tại ở dạng nếp gấp trong phạm vi một tinh thể. Các
tinh thể và vô định hình tập trung thành tổ chức lớn hơn gọi là vi sợi
(microfibril). Các vi sợi lại hợp thành tổ chức lớn hơn gọi là xơ (fibril).
Trên thành của các sợi có rất nhiều các lỗ xốp, các mao quản, các khoảng
trống và các khe hở. Số lợng, kích thớc, sự phân bố của chúng là rất khác nhau.
Điều này rất quan trọng vì các yếu tố này liên quan đến khả năng tham gia phản
ứng của các vi sợi xenlulozơ đặc biệt trong các điều kiện phản ứng dị thể cũng

nh khả năng hấp thụ dầu của các sản phẩm hấp thụ dầu sau này.

Hình 1.5: Liên kết hydro giữa các lớp xenlulozơ
ã Tính chất hoá học của xenlulozơ [4]
Xenlulozơ là polyme vừa phân cực mạnh võa kÕt tinh cao, chØ hoµ tan
trong mét sè Ýt dung môi. Những dung môi đặc biệt có thể làm trơng mạnh
xenlulozơ và dẫn đến hoà tan. Sự trơng xảy ra khi chất gây trơng lọt vào khoảng
trống giữa các tinh thể hoặc lọt vào vùng vô định hình của cấu trúc xenlulozơ, ở
đó các phân tử liên kết với nhau lỏng lẻo. Nếu đặt xơ xenlulozơ vào nớc, sợi
xenlulozơ hút nớc và chỉ bị trơng lên với đờng kính xơ tăng thêm khoảng 25%
[4]. Tuy nhiên tơng tác giữa nớc và xenlulozơ không đủ mạnh nên nớc không
xâm nhập vào vùng tinh thể của xenlulozơ. Sự trơng trong tinh thể xảy ra khi có
mặt chất gây trơng có ái lực mạnh hơn tơng tác giữa các phân tử xenlulozơ gây
GVHD: TS. Lê Đức Giang

SVTH: Nguyễn Thị Thu Hoài


Khoá luận tốt nghiệp Đại học
ra hiện tợng phá vỡ liên kết giữa các phân tử xenlulozơ. Trong kỹ thuật thờng sử
dụng dung dịch NaOH đậm đặc, dung dịch đồng ammoniac...để gây trơng.
Do cấu trúc của phân tử xenlulozơ rất chặt chẽ, vừa tồn tại ở vùng tinh
thể, vừa tồn tại ở vùng vô định hình, để phản ứng xảy ra, hoá chất cần xâm nhập
vào các hình thái cấu trúc này, đặc biệt là vùng tinh thể. Vùng vô định hình vốn
có nhiều khoảng trống để tác nhân phản ứng lọt vào, do đó phản ứng hoá học
thờng xảy ra ở vùng này. ở vùng tinh thể, để tăng cờng khả năng tiếp cận và
khả năng phản ứng, liên kết hydro giữa các mạch ở vùng này cần đợc phá vỡ để
tạo điều kiện cho các nhóm hydroxyl sẵn sàng tham gia phản ứng đồng thời các
mạch phân tử rời xa nhau, để lại khoảng trống dành cho tác nhân phản ứng. Để
đạt đợc mục tiêu trên, xơ xenlulozơ cần đợc gây trơng bằng pha hơi hoặc pha

lỏng. Quá trình trơng của xenlulozơ cũng là một ảnh hởng có lợi để hạn chế
phản ứng ngắt mạch của mạch ghép, sự hình thành polyme đồng loại cũng bị
làm chậm. Một số tác nhân gây trơng thờng đợc sử dụng là H2SO4, NaOH,
ZnCl2, etylamin,[24].
Xử lý kiềm là một trong những phơng pháp gây trơng khá hiệu quả và rẻ
tiền thờng đợc áp dụng. Kiềm không chỉ có tác dụng gây trơng mà còn hoà tan
và loại bỏ hemixenlulozơ cũng nh lignin. Quá trình hoà tan các thành phần này
tạo ra lỗ trống trong cấu trúc sợi và gây trơng.
Nh trên đà nói mỗi một mắt xích AGU có các nhóm hydroxyl (OH) ở các
vị trí C2, C3 và C6 ( Hình 1), có khả năng tham gia nhiều phản ứng đặc trng cho
các nhóm hydroxyl (OH) bậc một và bậc hai nh các phản ứng este hoá, phản
ứng ete hoá và phản ứng ô xy hoá, phản ứng ghép và phản ứng tạo mạng. Ngoài
ra chúng còn có thể tham gia phản ứng tạo phức với nhiều kim loại khác nhau.
Đây là cơ sở khoa học của quá trình biến đổi hoá học của sợi xenlulozơ. Các
nhóm hydroxyl (OH) ở cuối mạch phân tử xenlulozơ, tức là ở các vị trí C1 và
C4, có các tính chất rất khác nhau: trong khi nhóm hydroxyl (OH) ở vị trí C1 có
các tính chất khử thì nhóm hydroxyl (OH) ở vị trí C4 không có các tính chất
này. Các nguyên tử ô xy của các nhóm hydroxyl cũng nh các nguyên tử ô xy
trong các vòng tham gia tạo các tơng tác nội và ngoại phân tử tạo cầu hydro và
GVHD: TS. Lê Đức Giang

SVTH: Nguyễn Thị Thu Hoài