Luận văn Nghiên cứu khả năng tự phân hủy của polyme phế thải trong sự có mặt của một số kim loại chuyển tiếp (Fe, Mn, Co)

Nội dung tài liệu: Luận văn Nghiên cứu khả năng tự phân hủy của polyme phế thải trong sự có mặt của một số kim loại chuyển tiếp (Fe, Mn, Co)

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN PHẠM THỊ THU TRANG NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG TỰ PHÂN HỦY CỦA POLYME PHẾ THẢI TRONG SỰ CÓ MẶT CỦA MỘT SỐ KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP (Fe, Mn, Co) LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC Hà Nội: 2016
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN PHẠM THỊ THU TRANG NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG TỰ PHÂN HỦY CỦA POLYME PHẾ THẢI TRONG SỰ CÓ MẶT CỦA MỘT SỐ KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP (Fe, Mn, Co) LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC Chuyên ngành: Hóa Hữu cơ Mã số: 60440114 Ngƣời hƣớng dẫn : TS. Nguyễn Thanh Tùng Hà Nội: 2016
3. LỜI CẢM ƠN Sau một thời gian nghiên cứu, đề tài đã hoàn thành. Tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới TS. Nguyễn Thanh Tùng - Phòng vật liệu Polyme, Viện Hoá học – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã giao đề tài và tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ tôi trong thời gian vừa qua. Tôi cũng xin trân trọng cảm ơn các thầy cô trong khoa Hoá học – Trƣờng ĐHKHTN- ĐHQG Hà Nội, các anh chị đang công tác tại phòng vật liệu Polyme – Viện Hoá học, bạn bè, ngƣời thân đã giúp đỡ, động viên và tạo điều kiện để tôi hoàn thành luận văn này. Hà Nội, 12 tháng 12 năm 2015 Phạm Thị Thu Trang
4. MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ......................................................................... 1 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ..................................................................... 2 DANH MỤC CÁC BẢNG .......................................................................................... 3 MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 4 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN ....................................................................................... 6 1.1. Vấn đề nhựa phế thải đối với môi trƣờng ............................................................ 6 1.2. Một số biện pháp quản lý nhựa phế thải ............................................................ 10 1.2.1. Ngăn ngừa và tái sử dụng nhựa phế thải ......................................................... 10 1.2.2. Tái chế ............................................................................................................. 12 1.2.3. Thiêu đốt và chôn lấp ...................................................................................... 14 1.3. Xử lý nhựa phế thải bằng công nghệ oxo - biodegradation ............................... 18 1.3.1. Phụ gia xúc tiến oxi hóa và quá trình phân hủy của màng PE chứa phụ gia .. 22 1.3.2. Quá trình oxi hóa quang và nhiệt .................................................................... 23 1.3.3. Quá trình phân hủy sinh học của PE sau phân hủy giảm cấp ......................... 28 1.4. Ứng dụng của việc tái chế nhựa phế thải thành các sản phẩm tự phân hủy ...... 34 CHƢƠNG 2. THỰC NGHIỆM ............................................................................... 37 2.1. Hóa chất và thiết bị ............................................................................................ 37 2.1.1. Hóa chất .......................................................................................................... 37 2.1.2. Thiết bị ............................................................................................................ 37 2.2. Các phƣơng pháp tạo mẫu .................................................................................. 37 2.2.1. Phƣơng pháp tạo mẫu dạng tấm ...................................................................... 37 2.2.2. Phƣơng pháp tạo mẫu dạng màng ................................................................... 38 2.3. Các phƣơng pháp phân tích đánh giá ................................................................. 38 2.3.1. Xác định tính chất cơ lý .................................................................................. 38 2.3.2. Phổ hồng ngoại (FTIR) ................................................................................... 39 2.3.3. Kính hiển vi điện tử quét (SEM) ..................................................................... 39 2.3.4. Xác định chỉ số Cacbonyl (CI) ........................................................................ 39 2.3.5. Nghiên cứu quá trình phân hủy oxi hóa quang nhiệt ẩm ................................ 39 2.3.6. Nghiên cứu quá trình phân hủy trong môi trƣờng tự nhiên ............................ 40 2.4. Nội dung nghiên cứu .......................................................................................... 40
5. 2.4.1. Nghiên cứu chế tạo màng polime tự hủy trên cơ sở nhựa PE phế thải và phụ gia xúc tiến oxi hóa ................................................................................................... 40 2.4.2. Nghiên cứu quá trình phân hủy của màng polime tự phân hủy trong môi trƣờng ........................................................................................................................ 41 2.4.3. Ứng dụng của bầu ƣơm cây tự hủy cho một số loài cây ................................. 42 CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................ 43 3.1. Nghiên cứu chế tạo màng polime tự hủy trên cơ sở nhựa PE phế thải và phụ gia xúc tiến oxi hóa ......................................................................................................... 43 3.1.1. Nghiên cứu lựa chọn thành phần nhựa nền ..................................................... 43 3.1.2. Nghiên cứu lựa chọn hàm lƣợng tinh bột ....................................................... 44 3.1.3. Nghiên cứu lựa chọn phụ gia xúc tiến oxi hóa................................................ 46 3.1.4. Nghiên cứu lựa chọn hàm lƣợng phụ gia xúc tiến oxi hóa ............................. 50 3.1.5. Ảnh hƣởng của tỷ lệ tổ hợp phụ gia coban stearat/ sắt stearat đến tính chất vật liệu ............................................................................................................................. 54 3.2. Nghiên cứu quá trình phân hủy trong môi trƣờng của mẫu vật liệu .................. 57 3.2.1. Nghiên cứu quá trình lão hóa tự nhiên ............................................................ 57 3.2.2. Nghiên cứu khả năng phân hủy sinh học của vật liệu ..................................... 60 3.3. Ứng dụng của bầu ƣơm cây tự hủy cho một số loài cây .................................... 62 3.3.1. Giai đoạn ƣơm cây .......................................................................................... 63 3.3.2. Giai đoạn trồng thực tế .................................................................................... 65 KẾT LUẬN ............................................................................................................... 69
6. DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Giải thích CI Chỉ số cacbonyl CS Coban stearat CSMA Copolyme coban maleat – styren DDT Thuốc trừ sâu EAC Cộng đồng Đông Phi ELV Chất thải từ các phƣơng tiện vận tải hết hạn sử dụng EPA Cục Bảo vệ môi trƣờng Hoa Kỳ EU Liên minh Châu Âu FTIR Phổ hồng ngoại HDPE Polietilen tỷ trọng cao KLPT Khối lƣợng phân tử LDPE Polietilen tỷ trọng thấp LLDPE Polietilen tỷ trọng thấp mạch thẳng PLA Poli(lactic axit) PHSH Phân hủy sinh học POPs Chất hữu cơ bền gây ô nhiễm PP Polipropylen PS Polistyren PTN Phòng thí nghiệm PUR Poliurethane PVA Polivinyl ancol PVC Polivinylclorua rPE Polietilen phế thải SEM Kính hiển vi điện tử quét TB Tinh bột UV Ultraviolet WEEE Nhựa phế thải từ thiết bị điện, điện tử 1
7. DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1. Sản lƣợng chất dẻo toàn thế giới từ 1978 đến 2050 (triệu tấn) .................. 6 Hình 1.2. Phân bố sản lƣợng nhựa toàn thế giới ........................................................ 7 Hình 1.3. Biểu đồ phân loại chất dẻo ......................................................................... 8 Hình 1.4. Nhu cầu sử dụng nhựa theo các lĩnh vực trong khối EU-27, Na Uy và Thuỵ Sĩ năm 2008 [8] ............................................................................................... 10 Hình 1.5. Các biện pháp xử lý nhựa phế thải ở Châu Âu giai đoạn 2006-2010 ...... 16 Hình 1.6. Cơ chế phân huỷ quang hoá PE ................................................................ 20 Hình 1.7. Phân huỷ oxi hoá theo cơ chế Norrish ...................................................... 21 Hình 1.8. Quá trình phân hủy của PE xúc tác bởi kim loại chuyển tiếp [26]........... 24 Hình 1.9. Cơ chế phân hủy sinh học của PE sau khi phân hủy oxi hóa [26] ........... 30 Hình 2.1. Mẫu vật liệu đo tính chất cơ lý ................................................................. 38 Hình 3.1. Ảnh SEM hình thái học bề mặt của các tổ hợp nhựa nền ........................ 44 Hình 3.2. Ảnh SEM của các mẫu nhựa chứa tinh bột .............................................. 46 Hình 3.3. Ảnh hƣởng của loại phụ gia xúc tiến đến độ dãn dài khi đứt của các mẫu vật liệu ....................................................................................................................... 47 Hình 3.4. Ảnh hƣởng của phụ gia xúc tiến đến chỉ số cacbonyl của các mẫu vật liệu ................................................................................................................................... 48 Hình 3.5. Phổ IR của mẫu PE-Fe ban đầu ................................................................ 49 Hình 3.6. Phổ IR của mẫu PE-Fe sau 288 giờ oxi hóa quang nhiệt ẩm ................... 49 Hình 3.7. Ảnh hƣởng của thời gian thử nghiệm mẫu đến độ dãn dài khi đứt của mẫu vật liệu ....................................................................................................................... 51 Hình 3.8. Ảnh hƣởng của thời gian oxi hóa quang đến chỉ số CI của các mẫu ....... 52 Hình 3.9. Ảnh SEM của các mẫu vật liệu sau 288 giờ oxi hóa quang nhiệt ẩm ...... 53 Hình 3.10. Ảnh hƣởng của tỷ lệ phụ gia xúc tiến oxi hóa đến độ dãn dài khi đứt của vật liệu ....................................................................................................................... 55 Hình 3.11. Ảnh SEM của các mẫu vâṭ liêụ ban đầu và sau 288 giờ oxi hóa quang nhiệt ẩm ..................................................................................................................... 56 Hình 3.12. Độ dãn dài khi đứt của các mẫu vật liệu ................................................ 58 Hình 3.13. Chỉ số cacbonyl của các mẫu màng ........................................................ 59 Hình 3.14. Ảnh SEM của mẫu CT1, CT2 ban đầu và sau 6 tháng thử nghiệm ...... 60 Hình 3.15. Ảnh SEM các mẫu sau 6 tháng ngâm trong nƣớc .................................. 61 Hình 3.16. Ảnh SEM các mẫu sau 6 tháng chôn trong đất ...................................... 62 Hình 3.17. Mảnh bầu ƣơm thu gom sau 2 tháng trồng thực tế ................................. 67 Hình 3.18. Mảnh bầu ƣơm thu gom sau 3 tháng trồng thực tế ................................. 68 2
8. DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Tỷ lệ xử lý nhựa phế thải sau sử dụng theo lĩnh vực ở 27 nƣớc EU, Na Uy và Thụy Sỹ năm 2008 [5] .................................................................................... 17 Bảng 1.2. Tổng quan các nghiên cứu quá trình phân hủy sinh học bằng các chủng vi khuẩn xác định và các tập đoàn vi khuẩn phức tạp ................................................... 31 Bảng 3.1. Tính chất cơ lý của tổ hợp nhựa nền ........................................................ 43 Bảng 3.2. Tính chất cơ lý của các tổ hợp nhựa chứa tinh bột .................................. 45 Bảng 3.3. Ảnh hƣởng của phụ gia đến độ bền kéo của các mẫu vật liệu ................. 47 Bảng 3.4. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng phụ gia đến độ bền kéo đứt của các mẫu ..... 50 Bảng 3.5. Ảnh hƣởng của tỷ lệ Co(II) stearat/Fe(III) stearat đến độ bền kéo đứt của vật liệu ....................................................................................................................... 54 Bảng 3.6. Độ bền kéo đứt của các mẫu màng (MPa) ............................................... 57 Bảng 3.7. Tổn thất khối lƣợng của các mẫu khi ngâm trong nƣớc (%) ................... 60 Bảng 3.8. Tổn thất khối lƣợng của các mẫu khi chôn trong đất (%) ........................ 61 Bảng 3.9. Tốc độ sinh trƣởng chiều cao của cây thông ............................................ 63 Bảng 3.10. Tốc độ sinh trƣởng chiều cao của cây bạch đàn .................................... 63 Bảng 3.11. Tốc độ sinh trƣởng chiều cao của cây keo ............................................. 64 Bảng 3.12. Quá trình phân hủy của bầu ƣơm ........................................................... 64 Bảng 3.13. Tỉ lệ sống của cây thông ......................................................................... 65 Bảng 3.14. Tỉ lệ sống của cây keo ............................................................................ 65 Bảng 3.15. Tỉ lệ sống của cây bạch đàn ................................................................... 66 Bảng 3.16. Sự phát triển của các loại cây sau 30 ngày ............................................. 66 Bảng 3.17. Sự phát triển của các loại cây sau 90 ngày ............................................. 67 Bảng 3.18. Diễn biến quá trình phân hủy sinh học của bầu ƣơm ............................. 68 3
9. MỞ ĐẦU Nhựa tổng hợp đã trở thành một loại vật liệu quan trọng từ những năm 40 của thế kỷ trƣớc và sau này vật liệu nhựa đã dần thay thế các vật liệu truyền thống trong nhiều ứng dụng nhƣ thủy tinh, gỗ, vật liệu xây dựng và thay thế cả kim loại trong các ứng dụng môi trƣờng, thƣơng mại, công nghiệp và dân dụng. Các ứng dụng của nhựa trong đời sống không ngừng lan rộng do những tính năng ƣu việt của chúng nhƣ bền, nhẹ, chịu nƣớc và ổn định trong môi trƣờng. Nhựa tổng hợp nói chung và các poliolefin nói riêng là các vật liệu rất khó phân hủy trong môi trƣờng. Các phụ gia ổn định cho polyme trong quá trình gia công và sử dụng đã làm giảm mạnh tốc độ của quá trình phân hủy. Ngoài ra, mức độ phân nhánh cao của các mắt xích trên mạch ngăn cản quá trình phân hủy bởi vi sinh vật. Một yếu tố nữa khiến quá trình phân hủy sinh học chậm trễ của chất dẻo là sự hạn chế về khả năng hòa tan trong nƣớc của nó. Kích thƣớc của đại phân tử polyme là rất lớn, nên các vi sinh vật không thể chuyển trực tiếp nó vào trong các tế bào. Ngày nay, môi trƣờng đang phải chịu nhiều áp lực về rác thải rắn không phân hủy, trong đó các loại bao bì sản xuất từ nhựa (PE, PP...) chiếm một tỷ trọng đáng kể. Trong điều kiện tự nhiên, các loại nhựa này không phân hủy hoặc phân hủy rất chậm, thời gian phân hủy có thể diễn ra hàng trăm năm. Mặt khác, vai trò của vật liệu này đối với đời sống sản xuất và sinh hoạt là rất lớn, khó có thể thay thế. Do vậy, để hạn chế tác động của nhựa phế thải đến môi trƣờng đã có một số biện pháp đƣợc đƣa ra nhƣ thay thế một phầnbằng nguồn nguyên liệu có khả năng tái tạo, tái sử dụng hoặc đƣa thêm một số phụ gia vào công thức chế tạo với vai trò xúc tiến quá trình phân hủy. Hơn nữa, các sản phẩm đi từ nhựa phế thải và các phụ gia có nhiều ứng dụng trong nông, lâm nghiệp nhƣ làm màng phủ bồi, màng phủ nhà lƣới, bầu ƣơm cây...Với mong muốn góp phần giải quyết những bức xúc do thực tế đặt ra, chúng tôi quyết định chọn nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu khả năng tự phân hủy của polyme phế thải trong sự có mặt của một số kim loại chuyển tiếp (Fe, Mn, Co)”. * Nhiệm vụ cụ thể của luận văn đặt ra: 4
10. - Nghiên cứu chế tạo màng polime tự hủy trên cơ sở nhựa PE phế thải và phụ gia xúc tiến oxi hóa - Nghiên cứu quá trình phân hủy của màng polime tự hủy trong môi trƣờng - Ứng dụng của bầu ƣơm cây tự hủy cho một số loài cây 5