CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Bã chè Trong búp chè chủ yếu có thành phần sinh hóa sau: Nước: trong búp chè nước là thành phần chủ yếu chiếm từ 75 – 82%. Ankaloit: trong chè có nhiều loại ankaloit nhưng chiếm hàm lượng nhiều nhất là cafein từ 3 – 5% thường nhiều hơn cafein ở trong lá cà phê từ 2-3 lần. Protein và amino acids: trong chè protein phân bố không đều ở các thành phần của búp chè và thay đổi tùy theo giống, thời vụ, điều kiện canh tác và các yếu tố khác.
Protein kết hợp với một phần tannin làm cho vị chát và đắng giảm đi. Vì thế trong một chừng mực nào đó, protein có lợi cho phẩm chất chè xanh. Tannin: còn gọi chung là hợp chất fenol, trong đó 90% là các dạng catechin. Nó là một trong những thành phần chủ yếu quyết định đến phẩm chất chè.
Tỷ lệ các chất trong thành phần hỗn hợp của tamin chè không giống nhau và tùy theo từng giống chè mà thay đổi. Glutamic acid và pectin: trong lá chè các gluxit không hòa tan chiếm tỉ lệ lớn và chứa rất ít gluxit hòa tan. Vì thế lá chè càng non chất lượng càng cao do cellulose và hemixenlulo giảm khi lá non. Diệp lục và các sắc tố khác gần nó: trong lá chè có chứa diệp lục tố, carotin và xantofin.
Vitamin: giá trị dinh dưỡng cũng như giá trị dược liệu của chè rất cao do trong chè có rất nhiều loại vitamin như vitamin A: 56,6; B1: 0,7; B2: 12,2; C: 27,0 (mg/1000g chất khô) (theo tài liệu của Trung Quốc). Men: có nhiều loại men trong búp chè non nhưng chủ yếu gồm hai nhóm chính sau: 3 Nhóm thủy phân: men amilase, glucoxidase, prosthesis và một số men khác. Nhóm oxi hóa khử: peroxidase, polyphenoloxidase. Chất tro: chè khô và chè tươi có hàm lượng tro là khác nhau.
Trong chè, tro chia thành hai nhóm: không hòa tan trong nước và hòa tan trong nước. Bã chè Với lượng tiêu thụ chè trên toàn quốc mỗi năm khoảng 130.000 tấn thì lượng bã chè thải ra trên toàn quốc là rất lớn. Một số lượng lớn bã chè để sản xuất đồ uống thường bị bỏ đi vào môi trường không qua xử lý, đó không chỉ là một sự lãng phí về tài nguyên mà còn gây ra vấn đề vệ sinh môi trường trong quá trình phân hủy. Theo tác giả Hồ Sĩ Tráng (2006) [16], trong bã chè có các thành phần chính sau: Cellulose là polysaccharide cao phân tử do các mắt xích β-glucose [C6H7O2(OH)3]n nối với nhau bằng liên kết 1,4- glucozit.
Phân tử khối của cellulose rất lớn khoảng từ 250000 ÷ 1000000 đ. Trong mỗi phân tử cellulose có khoảng 1000 ÷ 1500 mắt xích glucose. Trong các xellulose có sẵn các nhóm chức hydroxyl (-OH), hemixelluloses và cấu trúc ligin được coi như những nhóm chức tiềm năng cho việc sử dụng bã chè làm vật liệu hấp phụ. Hemixenlulose là polysaccharide phức hợp còn gọi là copolyme vì trong mạch đại phân tử tồn tại nhiều loại mắt xích saccarit khác nhau.
Khi bị thủy phân đến cùng, hemixenlulose tạo ra các monosaccharide như hexazo, pentose cũng như dẫn xuất của metoxyuronic. Ngoài ra còn thu được axit axetic. Ligin là loại polyme được tạo bởi các mắt xích phenylpropan C6C3. Ligin giữ vai trò kết nối giữa cellulose và hemixene.
Ligin phần lớn có cấu tạo không gian do đó không hòa tan trước khi bị phân hủy. 4 Bã chè có khả năng tách kim loại nặng hòa tan và màu trong nước nhờ vào cấu trúc xốp và thành phần xenlulozo, hemixenlulozo và ligin. Sự kết hợp giữa cellulose và hemixenlulose được gọi là holoxenlulozo có chứa nhiều nhóm –OH, thuận lợi cho khả năng hấp phụ thông qua liên kết hidro [16]. Vì vậy tận dụng nguồn phế thải là bã chè để sản xuất composite trên cơ sở PANi tạo thành vật liệu hấp phụ kim loại nặng sẽ có ý nghĩa khoa học rất lớn, vừa tận dụng được phế thải vừa giải quyết được vấn đề bảo vệ môi trường.
Cấu trúc của PANi Trong điều kiện có mặt tác nhân oxi hóa làm xúc tác, PANi là sản phẩm của phản ứng cộng hợp nhiều phân tử anilin (ANi). Cấu trúc của PANi [10] PANi có thể tồn tại ở nhiều trạng thái oxy hóa – khử khác nhau. Tại mỗi trạng thái oxy – hóa khử có một cấu trúc mạch polyme khác nhau và có màu sắc cũng khác nhau. Phương pháp tổng hợp PANi được tổng hợp bằng phương pháp điện hóa hoặc phương pháp hóa học.
Mỗi phương pháp lại có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Tuy nhiên phương pháp điện hóa có nhiều ưu điểm vượt trội hơn nhưng để sản xuất với lượng lớn dạng PANi bột thì phương pháp hóa học được sử dụng nhiều hơn [13]. Tổng hợp bằng phương pháp hóa học 5 Trong phương pháp hóa học, hóa chất thường được sử dụng là amoni pesunfat (NH4)2S2O8. Amoni pesunfat đóng vai trò làm chất oxy hóa trong quá trình tổng hợp PANi và nhờ nó mà tổng hợp PANi bằng phương pháp hóa học có thể tạo ra polyme có khối lượng phân tử lớn và độ dẫn điện tối ưu hơn so với các chất oxi hóa khác.
Tuy nhiên tổng hợp bằng phương pháp hóa học PANi tạo ra không có độ đồng nhất cao, cần phải trộn với phụ gia bám dính do nó không bám dính trực tiếp lên bề mặt kim loại. Tổng hợp bằng phương pháp điện hóa Bằng phương pháp điện hóa, người ta có thể tạo ra PANi có tính chất khác nhau để phù hợp với nhu cầu ứng dụng của người dùng. Đặc biệt phương pháp này có thể tạo ra màng mỏng PANi có khả năng bám dính tốt trên bề mặt của các điện cực và ta có thể thay đổi chiều dày của màng tùy thuộc vào chế độ tổng hợp. Như vậy có thể tạo trực tiếp PANi lên mẫu kim loại cần bảo vệ, đây chính là ưu điểm của phương pháp điện hóa.
Ngoài ưu điểm này, phương pháp điện hóa còn tạo được sản phẩm có độ tinh khiết cao và quá trình điện hóa đều xảy ra trên bề mặt điện cực. Tuy nhiên, ở phương pháp này có một điểm bất lợi về mặt tốc độ polyme hóa, thời gian tạo màng ứng với thời gian tồn tại điện thế mà tại đó xảy ra phản ứng oxy hóa điện hóa monome ngắn. Do đó dẫn tới hiệu suất không cao. Ứng dụng của PANi PANi có tính điện sắc bởi tại mỗi trạng thái oxy hóa – khử khác nhau thì PANi lại có màu sắc khác nhau.
Nhờ vào tính chất này của PANi mà người ta ứng dụng nó để tạo ra linh kiện hiển thị điện sắc gồm hai điện cực [19]: chế tạo tivi có màn hình tinh thể lỏng. 6 Do khả năng bám dính cao, có điện thế dương nên màng PANi có khả năng chống ăn mòn cao. Vì thế PANi được ứng dụng trong việc bảo vệ kim loại [2,6,15]. Hơn thế nữa, PANi còn được ứng dụng để lai ghép với PPNN như bã chè, bã cafe, vỏ trấu,… để hấp phụ các kim loại nặng trong nước.
Đây là phương pháp có tính ưu việt vượt trội và thân thiện với môi trường [21]. Quá trình hấp phụ 1. Các khái niệm [3-4,11-12,14] Hấp phụ là sự tích lũy các chất trên bề mặt phân cách pha : khí – rắn, lỏng – rắn, khí – lỏng, lỏng – lỏng. Chất hấp phụ là các chất mà phần tử ở lớp bề mặt có khả năng hút các phần tử của pha khác nằm tiếp xúc với nó.
Chất được tích lũy trên bề mặt chất hấp phụ gọi là chất bị hấp phụ. Các nhà khoa học phân biệt hấp phụ dựa vào bản chất của lực tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ. Hấp phụ được chia thành hai loại: hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học. Dung lượng hấp phụ cân bằng Dung lượng hấp phụ cân bằng là khối lượng chất bị hấp phụ trên một đơn vị khối lượng chất hấp phụ ở trạng thái cân bằng trong điều kiện xác định về nồng độ và nhiệt độ.1) m Trong đó: q: dung lượng hấp phụ cân bằng (mg/g) Co: nồng độ của chất bị hấp phụ tại thời điểm ban đầu (mg/l) Ccb : nồng độ của chất bị hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg/l) m: khối lượng chất bị hấp phụ (g) 7 V: thể tích chất bị hấp phụ (L) 1.
Hiệu suất hấp phụ Hiệu suất hấp phụ là tỉ số giữa nồng độ dung dịch bị hấp phụ và nồng độ dung dich ban đầu, được tính bởi: C0 Ccb H. Các phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Quá trình hấp phụ là một quá trình thuận nghịch. Theo thời gian, lượng chất bị hấp phụ di chuyển ngược trở lại pha mang lớn do nó tích tụ được nhiều trên bề mặt chất rắn. Đến một thời điểm nào đó thì tốc độ giải hấp bằng tốc độ hấp phụ thì quá trình hấp phụ đạt cân bằng.
Khi một hệ hấp phụ đạt đến trạng thái cân bằng, lượng chất bị hấp phụ là một hàm của nhiệt độ, áp suất hoặc nồng độ của chất bị hấp phụ: q = f(T, P hoặc C) (1.3) Ở nhiệt độ không đổi (T = const), đường biểu diễn q = fT (P hoặc C) được gọi là đường hấp phụ đẳng nhiệt. Đường hấp phụ đẳng nhiệt biểu diễn sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ tại một thời điểm vào nồng độ cân bằng hoặc áp suất của chất bị hấp phụ tại thời điểm đó ở một nhiệt độ xác định [3,11-12,14]. Đối với chất hấp phụ là chất rắn, chất bị hấp phụ là chất lỏng hay khí thì đường hấp phụ đẳng nhiệt được mô tả qua các phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Henry, Freundlich, Langmuir,… Tùy thuộc vào bản chất của hệ và điều kiện tiến hành quá trình hấp phụ mà người ta có thể sử dụng các dạng phương trình đẳng nhiệt khác nhau để mô tả cân bằng hấp phụ như: Frumkin, Temkpin,… Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir 8 Phương trình Langmuir được thiết lập với các giả thiết sau [3,11- 12,14]: Tiểu phân bị hấp phụ liên kết với bề mặt tại những trung tâm xác định. Mỗi trung tâm chỉ hấp phụ một tiểu phân.
Bề mặt chất hấp phụ là đồng nhất, nghĩa là năng lượng hấp phụ trên các trung tâm là như nhau và không phụ thuộc vào sự có mặt của các tiểu phân hấp phụ trên các trung tâm bên cạnh. Phương trình Langmuir được xây dựng cho hệ hấp phụ khí rắn, nhưng có thể áp dụng cho hấp phụ trong môi trường nước. Trong pha lỏng, phương trình có dạng: K L .4) Trong đó: KL: hằng số (cân bằng) hấp phụ Langmuir. q: dung lượng hấp phụ (lượng chất bị hấp phụ/ 1 đơn vị chất hấp phụ).
qmax: dung lượng hấp phụ tối đa của chất hấp phụ (lượng chất bị hấp phụ/ 1 đơn vị chất hấp phụ). C: nồng độ dung dịch hấp phụ. Phương trình (1.