Đồ án tốt nghiệp: Phân lập CNC từ xơ dừa để tổng hợp composite hydrogel ứng dụng trong hấp phụ Pb²⁺

• Tác giả: Trần Quốc Huy
• Người hướng dẫn: TS. Huỳnh Nguyễn Anh Tuấn
• Trường học: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Hóa học
• Đề tài: Phân lập CNCs từ xơ dừa tổng hợp composite hydrogel ứng dụng hấp phụ Pb²⁺
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về hydrogel
• 1.1.1. Khái niệm về hydogel
• 1.1.2. Phân loại hydrogel
• 1.1.3. Tính chất hydrogel
• 1.2. Ứng dụng của hydrogel trong việc xử lý nước thải
• 1.2.1. Cơ chế hấp phụ của hydrogel trong xử lý nước thải
• 1.2.1.1. Tương tác tĩnh điện
• 1.2.1.2. Trao đổi ion
• 1.2.1.3. Liên kết hydro
• 1.2.1.4. Tương tác phối hợp
• 1.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ
• 1.2.2.1. Ảnh hưởng pH dung dịch
• 1.2.2.2. Nồng độ chất ô nhiễm ban đầu
• 1.2.2.3. Sự tồn tại của các ion khác nhau trong dung dịch
• 1.3. Tổng quan nguyên liệu
• 1.3.1. Nguồn nguyên liệu xơ dừa
• 1.3.2. Tổng quan về Cellulose Nanocrystals (CNCs)
• 1.4. Multi walled carbon nanotubes (MWCNTs)
• 1.5. Các phương pháp phân tích và đánh giá
• 1.5.1. Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (Fourier Transform Infrared Spectroscopy)
• 1.5.2. Tán xạ ánh sáng động (Dynamic Light Scattering – DLS)
• 1.5.3. Kính hiển vị điện tử quét (Scanning Electron Microscope – SEM) và phổ tán xạ năng lượng tia X (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy – EDX)
• 1.5.4. Tỷ lệ và tốc độ trương nở (swelling ratio và swelling rate - SR)
• 1.5.5. Phương pháp kiểm tra độ bền kéo vật liệu
• 1.6. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Nguyên liệu, hóa chất, dụng cụ và thiết bị nghiên cứu
• 2.1.1. Nguyên liệu, hóa chất
• 2.2. Phương pháp thực nghiệm và nội dung nghiên cứu
• 2.2.1. Quy trình chiết xuất CNCs từ xơ dừa
• 2.2.2. Quy trình tổng hợp composite hydrogel PVA/CNCs/MWCNT
• 2.3. Phương pháp đánh giá
• 2.3.1. Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier – FTIR
• 2.3.2. Kính hiển vi điện tử quét SEM và quang phổ tán xạ năng lượng tia X EDX
• 2.3.3. Tán xạ ánh sáng động DLS và thế Zeta
• 2.3.4. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
• 2.3.6. Khảo sát tính chất lưu biến
• 2.3.7. Khảo sát tốc độ trương nở trong nước
• 2.3.8. Khảo sát tỷ lệ trương nở theo môi trường pH
• 2.3.9. Khảo sát tỷ lệ trương trong môi trường muối
• 2.3.11. Khảo sát ứng dụng hấp phụ Pb2+
• 2.3.12. Khảo sát khả năng tái sử dụng của vật liệu
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 3.1. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân lập CNCs từ xơ dừa
• 3.1.1. Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình kiềm hóa bằng NaOH
• 3.1.2. Kết quả khảo sát ảnh hưởng nồng độ NaClO ở giai đoạn tẩy trắng
• 3.1.3. Kết quả khảo ảnh hưởng nồng độ H2SO4 đến quá trình thủy phân acid để phân lập CNCs
• 3.2. Đánh giá tính chất CNCs
• 3.2.1. Kết quả đo FTIR của CNCs
• 3.2.2. Kết quả thế Zeta
• 3.2.3. Kết quả nhiễu xạ tia X (XRD)
• 3.3. Tổng hợp mẫu hydrogel
• 3.3.1. Kết quả phổ FTIR
• 3.3.2. Kết quả đo SEM
• 3.3.3. Kết quả đo cơ tính
• 3.3.4. Kết quả đo lưu biến
• 3.3.5. Kết quả khảo sát tốc độ trương nở
• 3.3.6. Kết quả khảo sát tỷ lệ trương nở theo môi trường pH
• 3.3.7. Kết quả khảo sát tỷ lệ trương trong môi trường muối
• 3.3.8. Kết quả khảo sát độ tan
• 3.3.9. Khảo sát ứng dụng hấp phụ Pb2+ trong xử lý nước thải
• 3.3.10. Kết quả sát khả năng tái sử dụng vật liệu hydrogel
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về phân lập CNC từ xơ dừa

Phân lập CNC từ xơ dừa là một quy trình quan trọng trong việc phát triển các vật liệu mới, đặc biệt là trong lĩnh vực composite hydrogel. CNC (Cellulose Nanocrystals) được chiết xuất từ xơ dừa, một nguồn nguyên liệu phong phú và thân thiện với môi trường. Việc sử dụng xơ dừa không chỉ giúp giảm thiểu chất thải mà còn tạo ra các sản phẩm có giá trị cao. Nghiên cứu này tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình phân lập CNC từ xơ dừa thông qua các yếu tố như nồng độ NaOH, thời gian kiềm hóa và nhiệt độ xử lý. Kết quả cho thấy rằng việc sử dụng NaOH 7% tại 80℃ trong 2 giờ là điều kiện tối ưu để thu được CNC với kích thước nano và tính chất lý hóa tốt.

1.1. Quy trình phân lập CNC

Quy trình phân lập CNC từ xơ dừa bao gồm ba giai đoạn chính: kiềm hóa, tẩy trắng và thủy phân acid. Trong giai đoạn kiềm hóa, nồng độ NaOH và thời gian xử lý có ảnh hưởng lớn đến việc loại bỏ hemicellulose và lignin. Giai đoạn tẩy trắng sử dụng NaClO để làm sạch và loại bỏ màu sắc không mong muốn. Cuối cùng, thủy phân acid bằng H2SO4 giúp thu được CNC với kích thước nano. Các phương pháp phân tích như FTIR, SEM và DLS được sử dụng để đánh giá tính chất của CNC thu được.

II. Tổng hợp composite hydrogel

Composite hydrogel được tổng hợp từ CNC, PVA (Polyvinyl Alcohol), MWCNTs (Multi-walled Carbon Nanotubes) và gelatin. MWCNTs đóng vai trò quan trọng trong việc tăng cường khả năng hấp phụ của hydrogel. Gelatin được sử dụng như một chất liên kết ngang, trong khi APS (Amonium Persulfate) là chất khơi mào cho quá trình polymer hóa. Kết quả cho thấy rằng việc kết hợp CNC với PVA và MWCNTs tạo ra một vật liệu hydrogel có tính chất cơ học và khả năng hấp phụ tốt hơn so với hydrogel chỉ chứa PVA.

2.1. Đánh giá tính chất của composite hydrogel

Tính chất của composite hydrogel được đánh giá thông qua các phương pháp như FTIR, SEM và kiểm tra độ bền kéo. Kết quả cho thấy rằng composite hydrogel có cấu trúc đồng nhất và khả năng trương nở tốt. Đặc biệt, khả năng hấp phụ Pb²⁺ của hydrogel được cải thiện đáng kể khi tăng tỷ lệ CNC trong thành phần. Điều này cho thấy rằng CNC không chỉ cải thiện tính chất cơ học mà còn nâng cao khả năng hấp phụ ion kim loại, góp phần vào việc xử lý nước thải hiệu quả.

III. Khả năng hấp phụ Pb²

Khả năng hấp phụ Pb²⁺ của composite hydrogel được khảo sát dưới nhiều điều kiện khác nhau, bao gồm pH, nồng độ ion kim loại ban đầu và thời gian tiếp xúc. Kết quả cho thấy rằng pH có ảnh hưởng lớn đến khả năng hấp phụ, với pH tối ưu là 6. Nồng độ Pb²⁺ ban đầu cũng ảnh hưởng đến hiệu suất hấp phụ, với hiệu suất cao nhất đạt được ở nồng độ 50 ppm. Ngoài ra, khả năng tái sử dụng của vật liệu cũng được đánh giá, cho thấy rằng hydrogel có thể được tái sử dụng nhiều lần mà không làm giảm hiệu suất hấp phụ.

3.1. Đánh giá khả năng tái sử dụng

Khả năng tái sử dụng của composite hydrogel là một yếu tố quan trọng trong ứng dụng thực tiễn. Nghiên cứu cho thấy rằng sau nhiều lần sử dụng, hiệu suất hấp phụ Pb²⁺ vẫn duy trì ở mức cao, cho thấy tính bền vững của vật liệu. Việc tái sử dụng không chỉ giúp giảm chi phí mà còn góp phần bảo vệ môi trường, giảm thiểu lượng chất thải phát sinh từ quá trình xử lý nước thải. Điều này khẳng định giá trị thực tiễn của nghiên cứu trong việc phát triển các vật liệu hấp phụ hiệu quả và thân thiện với môi trường.