Tài liệu Khóa luận nghiên cứu tổ hợp than bùn – xơ dừa làm vật liệu hấp phụ chất màu hữu cơ trong nước

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc KHOA HÓA NHIỆM VỤ LÀM KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: NGUYỄN THỊ NHUNG Lớp: 14 CHP 1. Tên đề tài: “ Nghiên cứu tổ hợp than bùn – xơ dừa làm vật liệu hấp phụ chất màu hữu cơ trong nƣớc” 2. Nguyên liệu, hóa chất, dụng cụ - Nguyên liệu: Than bùn đƣợc lấy ở hồ Bầu Sấu, Liên Chiểu, Đà Nẵng và xơ dừa đƣợc mua tại Hòa Khánh Bắc, Liên Chiểu, Đà Nẵng. - Hóa chất: NaOH, methylen xanh, HCl, nƣớc cất. - Dụng cụ: Cân phân tích, máy đo pH, rây đƣờng kính 0.5mm, dụng cụ thủy tinh (bình cầu 1000ml, bình tam giác 250ml, cốc thủy tinh,…), tủ sấy, lò nung, buret, pipet,… 3. Nội dung nghiên cứu - Xác định thành phần cấu trúc than bùn, xơ dừa, tổ hợp than bùn + xơ dừa. - Khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình hấp phụ chất màu methylen xanh bằng vật liệu than bùn, xơ dừa, tổ hợp than bùn + xơ dừa 4. Giáo viên hƣớng dẫn: TS. Trần Mạnh Lục 5. Ngày giao đề tài: 10/9/2017 6. Ngày hoàn thành đề tài: 23/4/2018 Chủ nhiệm khoa Giáo viên hƣớng dẫn PGS.TS.Lê Tự Hải TS.Trần Mạnh Lục LỜI CẢM ƠN Trên thực tế không có sự thành công nào mà không gắn liền với những sự hỗ trợ, giúp đỡ dù nhiều hay ít, dừ trực tiếp hay gián tiếp của ngƣời khác. Trong suốt thời gian từ khi bắt đầu học tập tại trƣờng Đại học Sƣ Phạm Đà Nẵng đến nay, em đã nhận đƣợc rất nhiều sựu quan tâm, giúp đỡ của quý thầy cô, gia đình và bạn bè. Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi đến quý thầy cô ở Khoa Hóa Học đã cùng với tri thức và tâm huyết của mình để truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho chúng em trong suốt thời gian học tập tại trƣờng. Em xin cảm ơn thầy giáo TS.Trần Mạnh Lục, ngƣời đã hƣớng dẫn tận tình, động viên, giúp đỡ em trong suốt quá trình nghiên cứu, thực hiện và hoàn hành khóa luận. Đà Nẵng, ngày 27 tháng 4 năm 2018 Sinh viên Nguyễn Thị Nhung LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả NGUYỄN THỊ NHUNG DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT b Ái lực hấp phụ IR Phổ hồng ngoại qmax Ái trọng hấp phụ cực đại TGA Giản đồ phân tích nhiệt trọng lƣợng SEM Ảnh kính hiển vi điện tử quét VLHP Vật liệu hấp phụ KL khối lƣợng Tb than bùn Xd xơ dừa MỤC LỤC MỞ ĐẦU ..................................................................................................................14 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN...................................................................................18 1.1. Dừa và sợi xơ dừa ..........................................................................................18 1.1.1. Đặc điểm và nguồn gốc ..........................................................................18 1.1.2. Sợi tự nhiên .............................................................................................18 1.1.2.1. Cấu trúc vi mô của sợi tự nhiên ..........................................................18 1.1.2.2. Cấu trúc của sợi xơ dừa ......................................................................19 1.1.2.3. Tính chất của sợi xơ dừa .....................................................................19 Xử lí sợi xơ dừa ......................................................................................20 1.1.3. 1.1.3.1. Lý thuyết chúng về quá trình xử lí sợi.................................................20 1.1.3.2. Ảnh hưởng của NaOH.........................................................................21 1.1.3.3. Ảnh hưởng của dung dịch axit ............................................................21 Xử lý sợi tự nhiên tạo ra các loại sợi đáp ứng nhu cầu biến tính ...........22 1.1.4. 1.2. Than bùn.........................................................................................................22 1.2.1. Nguồn gốc, phân loại và tính chất của than bùn.....................................22 1.2.1.1. Nguồn gốc than bùn ở Việt Nam .........................................................22 1.2.1.2. Phân loại .............................................................................................23 1.2.1.3. Tính chất .............................................................................................23 1.2.2. 1.3. 1.3.1. Chất mùn trong than bùn ........................................................................24 Tổng quan về thuốc nhuộm............................................................................27 Sơ lƣợc về thuốc nhuộm .............................................................................27 1.3.2.1. Thuốc nhuộm thiên nhiên ....................................................................27 1.3.2.2. Thuốc nhuộm tổng hợp: đƣợc chia theo phân lớp kỉ thuật và theo cấu tạo hóa học. ............................................................................................................28 1.3.3. Tác hại của ô nhiễm nƣớc thải dệt nhuộm do thuốc nhuộm...................30 1.3.4. Các phƣơng pháp xử lí nƣớc thải dệt nhuộm .........................................30 1.4. Giới thiệu về xanh methylen ..........................................................................31 1.4.1. Cấu tạo, tính chất của xanh methylen .....................................................31 1.4.2. Hiện trạng ô nhiễm xanh methylen trong nƣớc thải ...............................32 1.5. Phƣơng pháp hấp thụ trong xử lí nƣớc thải ...................................................32 1.5.1. Khái niệm và bản chất của quá trình hấp phụ ........................................32 1.5.2. Phƣơng trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir và phƣơng trình hấp phụ đẳng nhiệt Freunlich ..............................................................................................33 1.5.2.1. Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir ......................................33 1.5.2.2. Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich ....................................34 1.5.3. Hiệu dung và hiệu suất hấp phụ..............................................................35 1.5.3.1. Dung lượng hấp phụ cân bằng ...........................................................35 1.5.3.2. Hiệu suất hấp phụ (H%) .....................................................................35 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM .............................................................................36 2.1. Nguyên liệu, dụng cụ, hóa chất ......................................................................36 2.1.1. Nguyên liệu .............................................................................................36 2.1.1.1. Xơ dừa .................................................................................................36 2.1.1.2. Than bùn .............................................................................................36 2.1.2. Hóa chất ..................................................................................................37 2.1.3. Dung cụ và thiết bị ..................................................................................37 2.1.4. Pha dung dịch .........................................................................................37 2.1.4.1. Pha dung dịch chuẩn xanh methylen 100ppm ....................................37 2.1.4.2. Pha dung dịch NaOH 0.5N .................................................................38 2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu................................................................................39 2.2.1. Thu gom và xử lí mẫu .............................................................................39 2.2.1.1. Xơ dừa: Cách tiến hành ......................................................................39 2.2.1.2. Than bùn: Cách tiến hành ..................................................................40 2.2.1.3. Tổ hợp than bùn và xơ dừa: Cách tiến hành .......................................41 2.2.1.4. Xác định độ ẩm ...................................................................................42 2.2.1.5. Xác định hàm lượng tro ......................................................................42 2.2.1.6. Xử lí vật liệu bằng NaOH ...................................................................43 2.2.2. Khảo sát một số tính chất vật lí của xơ dừa, than bùn, tổ hợp xơ dừa và than bùn biến tính ..................................................................................................43 2.2.2.1. Phổ hồng ngoại (IR) và phổ phân nhiệt trọng lượng TGA .................43 2.2.2.2. Chụp ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM) ..........................................43 2.2.3. Các phƣơng pháp phân tích định lƣợng bằng phƣơng pháp trắc quang .43 2.2.4. Nghiên cứu khả năng hấp phụ xanh methylen lên vật liệu hấp phụ than bùn, xơ dừa và tổ hợp than bùn + xơ dừa ..............................................................44 2.2.5. Khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng đến hiệu suất hấp phụ xanh methylen của than bùn, xơ dừa, tổ hợp than bùn + xơ dừa ..........................................................45 2.2.5.1. Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ ...........................................46 2.2.5.2. Khảo sát tỉ lệ rắn – lỏng .....................................................................46 2.2.5.3. Khảo sát nồng độ của xanh methylen .................................................46 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ............................................................47 3.1. Xác định đặc tính lí hóa của nguyên liệu ban đầu .........................................47 3.1.1. Xác định độ ẩm .......................................................................................47 3.1.2. Xác định hàm lƣợng tro ..........................................................................47 3.2. Khảo sát một số tính chất vật lí của than bùn, xơ dừa, tổ hợp than bùn + xơ dừa biến tính ..............................................................................................................48 3.2.1. Phổ hồng ngoại .......................................................................................48 3.2.2. Ảnh SEM ................................................................................................51 3.2.3. Phổ phân tích nhiệt trọng lƣợng (DTA/TG) ...........................................52 3.3. Các yếu tố ảnh hƣởng tới quá trình hấp phụ xanh methylen .........................53 3.3.1. Thời gian đạt cân bằng hấp phụ ..............................................................53 3.3.2. Khảo sát tỉ lệ rắn – lỏng ..........................................................................56 3.3.3. Ảnh hƣởng của nồng độ xanh methylen .................................................59 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................69 KẾT LUẬN ..............................................................................................................69 KIẾN NGHỊ .............................................................................................................69 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................71 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Tính chất cơ bản của sợi xơ dừa ...............................................................20 Bảng 1.2: So sánh tính chất của sợi xơ dừa với những sợi tự nhiên khác ................20 Bảng 2.1. Pha nồng độ dãy chuẩn xanh methylen ....................................................38 Bảng 2.2. Pha nồng độ xanh methylen dùng để khảo sát..........................................38 Bảng 2.3. Mật độ quang của các dung dịch chuẩn ....................................................45 Bảng 3.1. Độ ẩm của mẫu. ........................................................................................47 Bảng 3.2. Độ tro hóa của mẫu. ..................................................................................48 Bảng 3.3. Những dải phổ hồng ngoại chính của mẫu than bùn và tổ hợp than bùn + xơ dừa. .......................................................................................................................50 Bảng 3.4. Những dải phổ hồng ngoại chính của mẫu xơ dừa và tổ hợp than bùn + xơ dừa. ............................................................................................................................51 Bảng 3.5. Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ xanh methylen của mẫu than bùn. ............................................................................................................................54 Bảng 3.6. Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ xanh methylen của mẫu xơ dừa. ...................................................................................................................................54 Bảng 3.7. Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ xanh methylen của mẫu tổ hợp than bùn + xơ dừa......................................................................................................55 Bảng 3.8. Kết quả khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ đến tải trọng hấp phụ. .55 Bảng 3.9. Khảo sát khối lƣợng của mẫu than bùn hấp phụ methylen xanh. .............57 Bảng 3.10. Khảo sát khối lƣợng của mẫu xơ dừa hấp phụ methylen xanh...............57 Bảng 3.11. Khảo sát khối lƣợng của mẫu tổ hợp than bùn + xơ dừa hấp phụ methylen xanh. ..........................................................................................................58 Bảng 3.12. Kết quả khảo sát khối lƣợng vật liệu hấp phụ đến hiệu suất hấp phụ methylen xanh. ..........................................................................................................58 Bảng 3.13. Khảo sát ảnh hƣởng của nồng độ đến hấp phụ methylen xanh của mẫu than bùn. ....................................................................................................................60 Bảng 3.4. Khảo sát ảnh hƣởng của nồng độ hấp phụ methylen xanh của mẫu xơ dừa. ............................................................................................................................60 Bảng 3.15. Khảo sát ảnh hƣởng của nồng độ hấp phụ methylen xanh của mẫu tổ hợp than bùn + xơ dừa. .............................................................................................60 Bảng 3.16. Kết quả khảo sát ảnh hƣởng của nồng độ hấp phụ methylen xanh đến tải trọng hấp phụ.............................................................................................................61 Bảng 3.17. Điều kiên tối ƣu quá trình hấp phụ của VLHP .......................................62 Bảng 3.18. Nồng độ ban đầu, nồng độ cân bằng và tải trọng hấp phụ, lƣợng chất bị hấp phụ methylen xanh của than bùn. .......................................................................63 Bảng 3.19. Nồng độ ban đầu, nồng độ cân bằng và tải trọng hấp phụ, lƣợng chất bị hấp phụ methylen xanh của mẫu xơ dừa. .................................................................64 Bảng 3.20. Nồng độ ban đầu, nồng độ cân bằng và tải trọng hấp phụ, lƣợng chất bị hấp phụ methylen xanh của mẫu tổ hợp than bùn + xơ dừa. ....................................66 DANH MỤC CÁC HÌNH, SƠ ĐỒ Hình 1.1. Đƣờng hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir. ......................................................34 Hình 1.2. Đƣờng cong hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich .............................................35 Hình 2.1. Sợi xơ dừa .................................................................................................36 Hình 2.2. Than bùn ở hồ Bàu Sấu, Hòa Khánh, Đà Nẵng. .......................................37 Sơ đồ 2.1: Cách tiến hành xử lí xơ dừa .....................................................................39 Hình 2.3. Xơ dừa đã đƣợc hoạt hóa ..........................................................................39 Sơ đồ 2.2: Cách tiến hành xƣ lí than bùn ..................................................................40 Hình 2.4: Than bùn đã đƣợc hoạt hóa .......................................................................40 Sơ đồ 2.3: Cách tiến hành xử lí tổ hợp than bùn + xơ dừa .......................................41 Hình 2.5: Tổ hợp than bùn + xơ dừa đã đƣợc hoạt hóa ............................................41 Hình 2.6. Đƣờng chuẩn phân tích xanh methylen ....................................................45 Hình 3.1. Phổ hồng ngoại của than bùn biến tính .....................................................49 Hình 3.2. Phổ hồng ngoại của tổ hợp than bùn + xơ dừa biến tính. .........................49 Hình 3.3. Phổ hồng ngoại của xơ dừa biến tính .......................................................50 Hình 3.4. Phổ hồng ngoại của tổ hợp than bùn + xơ dừa biến tính ..........................50 Hình 3.5. Ảnh SEM của than bùn biến tính ở các kích thƣớc khác nhau. ..............51 Hình 3.6. Ảnh SEM của xơ dừa biến tính ở các kích thƣớc khác nhau ..................52 Hình 3.7. Ảnh SEM của tổ hợp than bùn + xơ dừa biến tính ở các kích thƣớc khác nhau ...........................................................................................................................52 Hình 3.8. Phổ phân tích nhiệt TG/DTA của tổ hợp than bùn + xơ dừa ....................53 Hình 3.9. Ảnh hƣởng của thời gian khuấy đến tải trọng hấp phụ. ............................56 Hình 3.10. Ảnh hƣởng của tỉ lệ rắn – lỏng đến hiệu suất hấp phụ. ...........................59 Hình 3.11. Ảnh hƣởng của nồng độ đến tải trọng hấp phụ .......................................61 Hình 3.12. Dạng tuyến tính của phƣơng trình Langmuir đối với than bùn. .............63 Hình 3.13. Dạng tuyến tính của phƣơng trình Freundlich đối với mẫu than bùn .....64 Hình 3.14. Dạng tuyến tính của phƣơng trình Langmuir đối với xơ dừa .................65 Hình 3.15. Dạng tuyến tính của phƣơng trình Freundlich đối với mẫu xơ dừa ........65 Hình 3.16. Dạng tuyến tính của phƣơng trình Langmuir đối với tổ hợp than bùn + xơ dừa ........................................................................................................................66 Hình 3.17. Dạng tuyến tính của phƣơng trình Freundlich đối với mẫu tổ hợp than bùn + xơ dừa.............................................................................................................67 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Trong những năm gần đây, phát triễn kinh tế gắn bó với bảo vệ môi trƣờng là chủ đề tập trung sự quan tâm của nhiều nƣớc trên thế giới. một trong những vấn đề đặt ra cho các nƣớc đang phát triễn, trong đó có Việt Nam là cải thiện môi trƣờng ô nhiễm từ các chất độc hại do nền công nghiệp tạo ra. Điển hình nhƣ các ngành công nghiệp cao su, hóa chất, công nghiệp thực phẩm, thuốc bảo vệ thực vật, y dƣợc, luyện kim, xi mạ, giấy, đặc biệt là ngành dệt nhuộm đang phát triễn mạnh mẽ và chiếm kim ngạch xuất khẩu cao của Việt Nam. Công nghiệp dệt nhuộm ra đời và phát triễn không ngừng nhằm đáp ứng nhu cầu may mặc ngày càng đa dạng của con ngƣời. Dệt may là một trong những ngành sản xuất quan trọng trong chiến lƣợc phát triễn kinh tế xã hội của Việt Nam. Công nghiệp dệt may góp phần tăng tỷ trọng xuất khẩu, giải quyết công ăn việc làm cho một lƣợng lớn lao động hiện nay. Tuy nhiên, cùng với những lợi ích kinh tế, một vấn đề đang đƣợc quan tâm, đó là tình trạng ô nhiễm môi trƣờng do các nƣơc sthair từ các nhà máy dệt nhuộm gây ra. Màu của nƣớc thải dệt nhuộm thƣờng có cƣờng độ lớn, nhiều màu sắc khác nhau. Do đó, khi đƣợc thải vào môi trƣờng, nƣớc thải ảnh hƣởng xấu đến mỹ quan môi trƣờng, gây ô nhiễm đất và nƣớc, ảnh hƣởng đến sức khỏe và cuộc sống của ngƣời dân xung quanh. Phẩm nhuộm là các hợp chất hữu cơ có khối lƣợng phân tử khá lớn, chứa các vòng thơm và có màu. Chúng rất đa dạng về màu sắc, chúng loại và có khả năng nhuộm màu, nghĩa là bắt màu hay gắn màu cho các vật liệu khác. Chúng đƣợc sử dụng phổ biến trong công nghiệp dệt nhuộm. Để nhuộm vải, ngƣời ta thƣờng sử dụng các loại phẩm nhuộm tổng hợp và các chất phụ trợ để tạo sự bền màu. Phần thuốc dƣ không gắn vào vải sẽ đi vào nƣớc thải. Điều này là một trong những nguyên nhân làm cho nƣớc thải dệt nhuộm có màu. Đã có nhiều phƣơng pháp đƣợc sử dụng để xử lý ô nhiễm nƣớc, trong đó phƣơng pháp hấp phụ đã thể hiện nhiều ƣu điểm riêng nhƣ: đi từ nguyên liệu rẻ tiền, sẵn có, quy trình đơn giản, không đƣa thêm vào môi trƣờng những tác nhân 14 độc hại cho con ngƣời và sinh vật, đơn giản, phổ cập, hiệu quả, … do có thể thu hồi sản phẩm, tập trung chất thải để xử lý, hạn chế việc phát thải vào môi trƣờng, … Hiện nay, có rất nhiều chất hấp phụ rẻ tiền, dễ kiếm (nhƣ: vỏ dừa, than bùn, mùn cƣa, bã mía, lõi ngô, rơm, bèo tây, chuối sợi, …) đƣợc sử dụng để loại bỏ các chất gây độc hại trong môi trƣờng nƣớc. Nhiều loại vật liệu sinh học dùng xử lý nƣớc thải, nhƣng không có loại nào đáp ứng tất cả các đặc tính cần thiết: xơ dừa mặc dù có tính đàn hồi cao cho phép tạo lớp lọc có độ chặt phù hợp với loại nƣớc thải cần xử lý và đặc tính dòng chảy, các hạt xơ dừa xốp, tính mao dẫn cao nên phù hợp để xử lý dòng thải tự chảy nhƣng nhƣợc điểm của hạt xơ dừa là có thể không kiềm chế đƣợc mức độ di chuyển của dòng nƣớc chảy; bên cạnh đó thì than bùn tuy có tính đàn hồi thấp, tính ổn định kém và giới hạn sức chảy nhƣng lại kiềm chế đƣợc mức độ di chuyển của dòng chảy. Để phù hợp với yêu cầu, hạt xơ dừa có thể kết hợp với vật liệu lọc nhƣ than bùn để tăng thêm đặc tính xử lý của vật liệu. Quá trình biến tính bằng NaOH cũng đƣợc áp dụng để xem xét hiệu quả của nó trên vật liệu trên. Vì vậy, tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu tổ hợp than bùn – xơ dừa làm vật liệu hấp phụ chất màu hữu cơ trong nước” làm luận văn tốt nghiệp. 2. Mục tiêu nghiên cứu Chế tạo vật liệu hấp phụ từ xơ dừa, than bùn, tổ hợp than bùn – xơ dừa. Khảo sát khả năng hấp phụ và các yếu tố ảnh hƣởng đến khả năng hấp phụ của vật liệu hấp phụ chế tạo từ xơ dừa, than bùn, tổ hợp xơ dừa – than bùn đối với chất màu hữu cơ trong nƣớc. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 3.1. Đối tƣợng nghiên cứu - Than bùn. - Xơ dừa. - Dung dịch xanh methylen. 15 3.2. Phạm vi nghiên cứu - Khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình hấp phụ chất màu xanh metylen của than bùn, xơ dừa, tổ hợp than bùn – xơ dừa đã đƣợc biến tính. - Khảo sát khả năng tái hấp phụ của vật liệu. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu 4.1. Nghiên cứu lí thuyết - Thu nhập các thông tin tài liệu liên quan đến đề tài. - Xử lí các thông tin về lí thuyết để đƣa ra các vấn đề cần thực hiện trong quá trình thực nghiệm. 4.2. Nghiên cứu thực nghiệm Phương pháp hóa lí: - Nghiên cứu các đắc tính hóa lí của xơ dừa, than bùn, tổ hợp xơ dừa – than bùn: độ ẩm, hàm lƣợng tro. - Các đặc trƣng hóa lí đƣợc khảo sát bằng phƣơng pháp ghi phổ hồng ngoại (IR), phƣơng pháp nhiệt trọng lƣợng (DTA), ảnh SEM. - Các thông số của quá trình hấp phụ đƣợc xác định bằng phƣơng pháp trọng lƣợng. Phương pháp toán học: - Khả năng hấp phụ đƣợc xác định xử lí bằng phƣơng pháp hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir, Frendlich. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - Cung cấp tƣ liệu về than bùn, xơ dừa, tổ hợp than bùn – xơ dừa. - Phƣơng pháp biến tính than bùn, xơ dừa, tổ hợp than bùn – xơ dừa có khả năng hấp phụ cao đối với các chất màu hữu cơ trong nƣớc. - Khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng tìm ra điều kiện tối ƣu nhất cho quá trình biến tính than bùn, xơ dừa, tổ hợp than bùn – xơ dừa và quá trình hấp phụ xanh methylen bằng than bùn, xơ dừa, tổ hợp than bùn – xơ dừa đã biến tính bằng dung dịch NaOH. 16 6. Sơ đồ nghiên cứu Nguyên liệu Than bùn Xác định đặc tính hóa lí SEM, IR, DTA Xơ dừa S Biến tính Vật liệu Thời gian Khối lƣợng Nồng độ 7. Bố cục của luận văn MỞ ĐẦU Chương 1: Tổng quan (Từ trang đến trang ) Chương 2: Thực nghiệm (Từ trang đến trang) Chương 3: Kết quả và thảo luận (Từ trang đến trang ) KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC 17 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Dừa và sợi xơ dừa 1.1.1. Đặc điểm và nguồn gốc Dừa ( danh pháp khoa học: Cocos nicifera) thuộc giới thực vật, bộ Arecales, họ Arecacee, phân họ Arecoideae, tông Cocoeae, chỉ Cocos, loài C, nucifera. Về mặt thực vật học, dừa là loại quả khô đơn độc đƣợc biết đến nhƣ quả hạch có xơ. Vỏ quả ngòai thƣờng cứng, nhẵn, nổi rõ ba gờ, lớp vỏ quả giữa là các sợi xơ gọi là xơ dừa và bên trong nó là lớp vỏ quả trong hay gáo dừa hoặc sọ dừa, lớp vỏ quả trong hóa gỗ, khá cứng, có ba lỗ mầm có thể nhìn thấy rất rõ từ phía mặt ngoài khi bóc hết lớp vỏ ngoài và vỏ giữa ( gọi là các mắt dừa) Dừa phát triển tốt trên đất pha cát và có khả năng chống chịu mặn tốt cũng nhƣ nó ƣa thích các nơi sinh sống có nhiều nắng và lƣợng mƣa bình thƣờng ( 7502.000 mm hàng năm), điều này giúp nó trở thành loại cây định cƣ bên các bờ biển nhiệt đới một cách tƣơng đối dễ dàng. Ở Việt Nam ta có rất nhiều loại dừa nhƣ: dừa ta, dừa sọc, dừa dứa, dừa sáp, dừa giấy, dừa Tam Quan, dừa Xiêm, dừa lùn cao sản,… Xơ dừa là một chất xơ tự nhiên đƣợc tách ra từ vỏ quả dừa và đƣợc sử dụng trong các sản phẩm nhƣ nệm, dây thừng, chão, thảm, bàn chải, khảm thuyền cũng nhƣ vật liệu lèn; nó còn đƣợc sử dụng rộng rãi trong nghề làm vƣờn để làm chất độn trong phân bón. Vỏ và xơ dừa có thể làm nguồn nhiên liệu hay để sản xuất than củi. Một loại dừa hiếm tại Nam bộ có xơ dừa tƣơi cho nƣớc khá ngọt khi nhai, trong khi các loài khác có vị chát 1.1.2. Sợi tự nhiên 1.1.2.1. Cấu trúc vi mô của sợi tự nhiên Xơ dừa là một chất xơ tự nhiên đƣợc tách ra từ vỏ quả dừa và đƣợc sử dụng trong các sản phẩm nhƣ thảm sàn, bàn chải, nệm, dây thừng,…Về mặt kỹ thuật xơ dừa là vật liệu sợi đƣợc tìm thấy ngoài lớp vỏ cứng của trái dừa. 18 1.1.2.2. Cấu trúc của sợi xơ dừa Các sợi xơ dừa có các tế bào sợi cá nhân đƣợc thu hẹp và rỗng, với những bức tƣờng dày đƣợc làm từ xenlulozo. Chúng có màu nhạt khi chƣa trƣởng thành nhƣng sau đó trở thành cứng và có màu vàng của một lớp lignin đƣợc lắng đọng trên các xenlulozo. Mỗi tế bào dài khoảng 1mm (0.04 in) và đƣờng kính thƣờng từ 10 đến 20 micromet ( 0.0004 đến 0.0008 in). Sợi xơ dừa có chiều dài thƣờng là từ 10 đến 30 cm. Có hai loại xơ dừa. Xơ dừa nâu đƣợc thu hoạch từ dừa chín hoàn toàn. Chúng dày, chắc và có khả năng chống mài mòn cao. Chúng thƣờng đƣợc sử dụng trong chiếu, bàn chải…Sợi xơ dừa nâu trƣởng thành có chứa lignin và xenlulozo ít hơn so với những sợi khác nhƣ lanh, bông và vì nó mạnh mẽ nhƣng ít linh hoạt hơn. Sợi xơ dừa trắng đƣợc tu hoạch từ các quả dừa trƣớc khi chín. Những sợi này có màu trắng hoặc ánh sáng màu nâu và mƣợt mà và mịn hơn, nhứng cũng yếu hơn. Chúng thƣờng đƣợc quay thành sợi để sử dụng trong chiếu thảm chùi chân hoặc dây thừng. Các sợi xơ dừa tƣơng đối không thấm nƣớc và là một trong những loại sợi tự nhiên có khả năng chịu đƣợc sự phá hủy của nƣớc muối. Nƣớc ngọt đƣợc xử dụng để xử lý xơ dừa nâu, trong khi nƣớc biển và nƣớc ngọt đều đƣợc sử dụng để xử lí xơ dừa trắng [11], [12]. 1.1.2.3. Tính chất của sợi xơ dừa Xơ dừa đƣợc tách ra từ vỏ quả dừa. Chiều dài sợi khác nhau, từ 10-30cm. Sợi xơ dừa mạnh, đàn hồi, có một độ bền màu thấp và độ bền cao ( vì thành phần xenlulozo 35-45%, 40-45% lignin và pectin 2,7-4% và hemixenlulozo 0,15-0,25% Xơ dừa, cũng nhƣ các sợi thiên nhiên khác, số lƣợng đáng kể của đƣờng kính đi kèm với chiều dài riêng biệt của các sợi. Chất lƣợng sợi đƣợc tính dựa trên nhiều nhân tố khác nhau nhƣ kích cỡ, cƣờng độ trƣởng thành và tất nhiên là còn tùy vào các loại cây dừa khác nhau cũng nhƣ là các quá trình, phƣơng pháp nuôi dƣỡng. Những nghiên cƣu về độ mạnh của sợi xơ dừa đƣợc lấy từ những vùng khác nhau ơ Kerala đã đƣợc đƣa ra bởi Mathai. 19 Prabhu đã nghiên cứu những tính chất cơ học của sợi xơ dừa nhƣ mô đun Young độ bền kéo, độ giãn dài, độ dẫn điện…và so sánh với các loại sơi tự nhiên khác nhau nhƣ dứa, chuối, đay,…[12], [13]. Các kết quả đƣợc đƣa ra dƣới các bảng 1.1 và 1.2 Bảng 1.1: Tính chất cơ bản của sợi xơ dừa [5] Giá trị Đơn vị Mô đun Young 4000-5000 Mpa Độ bền kéo 140-150 Mpa 15-17,3 % Độ dẫn điện 0,047 W/mK Tỷ trọng 1,15-1,33 g/cm3 Độ thấm nƣớc 10 % Độ giãn dài Bảng 1.2: So sánh tính chất của sợi xơ dừa với những sợi tự nhiên khác [5] Dừa Chuối Dừa Đay Đƣờng kính 100-460 80-250 20-80 - Tỷ trọng 1,15 1,35 1,44 1,45 Suất điện trở riêng tại 9-14 6,5-7 0,7-0,8 - Góc hình sợi 30-49 11 14-18 8,1 Tỷ lệ xenlulozo/lignin 43/45 65/5 81/12 63/12 Mô đun đàn hồi 4-6 8-20 34-81 20-22 Độ bền 131-175 529-759 413-1627 533 Độ giãn 15-40 1,0-3,5 0,8-1,6 1-1,2 100V 1.1.3. Xử lí sợi xơ dừa 1.1.3.1. Lý thuyết chúng về quá trình xử lí sợi Thành phần của sợi thực vật gồm: xenlulozo, hemixenlulozo, lignin, và các chất khác. Thực chất của quá trình xử lí sợi là dùng hóa chất để tách những thành phần không cần thiết có trong sợi thực vật nhƣ: lignin, pectin, chất trích ly,…đó là 20 những thành phần vô định hình, kém ổn định, làm giảm tính chất cơ lý, hóa lý của sợi thực vật. Để phản ứng xảy ra, hóa chất cần xâm nhập vào hình thái cấu trúc này. Để tăng cƣờng khả năng tiếp cận và khả năng phản ứng, xenlulozo cần đƣợc gây trƣơng và loai bỏ hemixenlulozo, lignin. Một số tác nhân gây trƣơng thƣờng đƣợc sử dụng là H2SO4, NaOH, ZnCl2…[10]. 1.1.3.2. Ảnh hưởng của NaOH Dung dịch NaOH có nồng độ 5÷30% có khả năng hòa tan các chất vô định hình. Khi ngâm sợ thực vật trong dung dịch NaOH thì có hai quá trình đồng thời xảy ra đó là quá trình tách lignin, các phần vô định hình và quá trình NaOH tƣơng tác với các đại phân tử holoxenlulozo, chúng phụ thuộc vào nồng độ NaOH và thời gian xử ly. Khi nồng độ dung dịch NaOH thì nó hòa tan phần vô định hình, còn xenlulozo chỉ bị tác động nhẹ. Khi tăng nồng độ NaOH và tăng thời gian xử lý thì quá trình tách phần vô định hình tăng không đáng kể vì hàm lƣợng của chúng có trong sợi là giơi hạn, trong khi đó quá trình tƣơng tác giữa NaOH và các mạch đại phân tử holoxenlulozo lại tăng [13]. 1.1.3.3. Ảnh hưởng của dung dịch axit Xenlulozo bị trƣơng nở trong dung dịch axit loãng. Trong môi trƣờng axit đậm đặc nhƣ H2SO4 72%, HCl 44%, H3PO4 85%,…xenlulozo sẽ bị hòa tan Dƣới tác dụng của axit, mối liên kết glucozit sẽ bị thủy phân làm cho mạch xenlulozo bị đứt. Tốc độ của quá trình thủy phân phụ thuộc vào độ mạnh yếu của axit. Ngoài ra, tốc độ thủy phân xenlulozo phụ thuộc vào nhiệt độ môi trƣờng. Đối với việc khảo sát ảnh hƣờng của dung dịch axit trong xử lý sợi xenlulozo thì thông thƣờng ngƣời ta khảo sát xử lý hai giai đoạn: giai đoạn 1 là giai đoạn xử lý với axit, giai đoạn 2 là giai đoạn xử lý với kiềm. Khi thời gian ngâm trong dung dịch axit tăng thì hàm lƣợng tạp chất bị loại khỏi sợi cũng tăng. Dung dịch kiềm không chỉ có tác dụng hòa tan các chất sáp, vô cơ và các hemixenlulozo, lignin có độ trùng hợp thấp. Kiềm còn có tác dụng làm trƣơng nở mạch xenlulozo, tuy nhiên không phá hủy xenlulozo mà chỉ gây ra những biến đổi về hóa lý trong cấu trúc. Trong khi đó, axit có tác dụng làm đứt các liên kết axetal giữa nhóm chức lignin với nhóm hydroxyl của xenlulozo. Các sản phẩm 21