Nghiên cứu quy trình biến tính vỏ chuối ứng dụng làm vật liệu hấp phụ dầu khoáng

282 NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH BIẾN TÍNH VỎ CHUỐI ỨNG DỤNG LÀM VẬT LIỆU HẤP PHỤ DẦU KHOÁNG Phạm Nguyễn Hoàng Long, Nguyễn Công Minh Trí, Vũ Ngọc Bảo Trân Viện Khoa học Ứng dụng HUTECH, Trường Đại học Công nghệ TP.Hồ Chí Minh GVHD: PGS.TS Thái Vĕn Nam, ThS. Trịnh Trọng Nguyễn TÓM TẮT Ô nhiễm dầu từ các sự cố tràn dầu là một trong những mối quan tâm hiện nay. Có nhiều phương pháp để xử lý sự cố dần tràn và hấp phụ là một trong những phương pháp khả thi nhất. Hiện nay, việc nghiên cứu, chế tạo các loại vật liệu hấp phụ dầu có nguồn gốc tự nhiên đang được quan tâm. Mục tiêu của nghiên cứu này là xây dựng quy trình biến tính vỏ chuối nhằm gia tăng hiệu quả hấp phụ dầu đồng thời hạn chế khả năng ưa nước của các vật liệu hấp phụ tự nhiên truyền thống. Vỏ chuối được xử lý sơ bộ, xử lý hoá học sau đó được biến tính với acid oleic ở tỷ lệ thích hợp. Sau đó, vật liệu được đánh giá khả năng xử lý dầu khoáng (dầu diesel) và khảo sát một số thông số ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ dầu của vật liệu. Từ khóa: Acid oleic, biến tính, dầu diesel, hấp phụ, vỏ chuối. 1 ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện nay việc ô nhiễm dầu từ các sự cố tràn dầu đang diễn ra thường xuyên hơn, gây ảnh hưởng đến môi trường và sinh vật biển. Theo số liệu thống kê của Cục Môi trường, từ năm 1987 đến năm 2007 đã xảy ra hơn 90 vụ tràn dầu ở các vùng cửa sông và ven bờ gây thiệt hại lớn về kinh tế cũng như gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng trong thời gian dài [22]. Việc xử lý dầu tràn có nhiều biện pháp như: Cơ học, hoá học và sinh học. Trong đó biện pháp hoá học cụ thể là sử dụng chất hấp phụ từ nông nghiệp cho thấy tiềm năng rất lớn, bởi việc vừa hạn chế được các phế phẩm nông nghiệp thải ra môi trường vừa khắc phục được các vấn đề ô nhiễm dầu. Ở nước ta chuối là loại trái cây có diện tích và sản lượng tương đối cao, chiếm 19% tổng diện tích cây ăn trái của Việt Nam hàng năm, cho sản lượng khoảng 1,4 triệu tấn/năm [15]. Trong đó, diện tích trồng chuối chủ yếu tập trung ở các tỉnh miền Trùng và miền Nam, một số tỉnh như Thanh Hóa, Nghệ An, Khánh Hòa, Đồng Nai, Sóc Trăng, Cà Mau có diện tích từ 3.000 ha đến gần 8.000 ha. Trong khi đó, các tỉnh miền Bắc có diện tích trồng chuối lớn nhất như: Hải Phòng, Nam Định, Phú Thọ chưa đạt đến 3.000 ha [15]. Vỏ chuối chiếm 18 - 33% trọng lượng của quả chuối, theo đó sản lượng sản xuất chuối từ 8 – 10 tấn/ngày cho thấy tiềm năng nguồn nguyên liệu đầu vào rất lớn. Một trong những yếu tố quan trọng của các chất hấp phụ tự nhiên là thành phần cellulose chiến tỷ lệ cao. Theo đó, thành phần cellulose của vỏ chuối chiếm khoảng 4,5 – 4,6% khối lượng, thành phần cấu tạo chính là các hợp chất polime được hợp thành từ các mắt xích β-glucozơ nối với nhau 283 bởi các liên kết β-1,4-glicozit, phân tử cellulose không phân nhánh, không xoắn dẫn đến vỏ chuối có độ xốp cao thích hợp để làm vật liệu hấp phụ [15]. Với những yếu tố trên, cho thấy vỏ chuối có nhiều tiềm năng trong việc ứng dụng làm vật liệu hấp phụ dầu. Bảng 1: So sánh giữa vỏ chuối và chất hấp thụ dầu tràn hiện tại [6] Vật liệu hấp thụ Khả năng hấp thụ (g/g) Bông (Cotton) 37,9 ± 2,6 Rơm lúa mạch 7-12 Trấu 6-10 Giấy thải 8-9,5 Mạt cưa 4,5-8,5 Vỏ chuối 5-7 Lõi bắp 5-7 Bã mía 3-6 Đất sét 3,4-4 Rơm lúa mì 2-4 Vỏ hành tây 0.455 Vỏ tỏi 0.385 2 CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN Hossain M.A. và cộng sự (2012), đã nghiên cứu sử dụng vỏ chuối để hấp phụ ion Cu2+ và kết quả cho thấy giá trị pH tối ưu là 6 sẽ cho dung lượng hấp phụ cực đại là 28 mg/g [11]. Đặng Văn Phi (2012) thuộc Trường Đại học Đà Nẵng cũng nghiên cứu việc biến tính vỏ chuối bằng acid citric để hấp phụ hai ion là Cu2+và Pb2+. Kết quả thu được là khả năng hấp phụ của vỏ chuối biến tính ở điều kiện pH tối ưu là 6 và thời gian cân bằng hấp phụ là 60 phút đối với cả hai ion Cu2+ và Pb2+ là cao hơn nhiều so với nguyên liệu ban đầu. Dung lượng hấp phụ cực đại đối với ion Cu2+ là 7,704 mg/g và 24,272 mg/g đối với ion Pb2+ [5]. Arunakumara và cộng sự (2013), đã sử dụng vỏ chuối để hấp phụ các ion kim loại như: Pb2+, Ni2+, Zn2+, Cu2+, Co2+. Kết quả nghiên cứu cho thấy dung lượng hấp phụ cực đại cao nhất đối với ion Pb2+, khoảng 7,97 mg/g. Dung lượng hấp phụ hđối với các ion còn lại như: Ni2+, Zn2+, Cu2+, Co2+ lần lượt là: 6,88 mg/g; 5,8 mg/g; 4,75 mg/g; 2,55 mg/g [3]. M.N.A. Al-Azzawi và cộng sư (2013) cũng nghiên cứu dùng vỏ chuối làm vật liệu hấp phụ các ion kim loại Cr3+, Ni2+, Zn2+. Kết quả nghiên cứu chỉ ra ở nhiệt độ 25oC và pH bằng 5, dung lượng hấp phụ cực đại của Cr3+ là 76 mg/g; Ni2+ là 19 mg/g và Zn2+ là 66 mg/g [12]. Zahra Abbasi và cộng sự (2013), dùng vỏ chuối để hấp phụ ion Co2+ và Ni2+. Kết quả cho thấy dung lượng hấp phụ cực đại đối với Co2+ là 9,02 mg/g; Ni2+ là 8,91 mg/g [20]. 284 M.S. Mahmoud (2014) đã sử dụng vỏ chuối để hấp phụ ion Mn2+. Kết quả cho thấy khả năng hấp phụ ion Mn2+ đạt tối ưu sau khi khuấy 1 giờ, nhiệt độ và pH tối ưu lần lượt là 22oC và 5. Dung lượng hấp phụ cực đại là 11,806 mg/g [13]. Ngoài ra, G. Alaa El-Din và cộng sự (2018) đã chỉ ra rằng, vỏ chuối có khả năng hấp phụ dầu tương đối tốt nhất ở điều kiện 25oC, kích thước hạt trung bình 0,3625 mm, thời gian hấp phụ là 15 phút với mẫu nước biển nhân tạo 3,5% và độ dày màng dầu là 5 mm. Cụ thể, khả năng hấp phụ dầu tối đa đối với dầu khí và dầu thô sau quá trình phòng hoá một ngày và 7 ngày lần lượt là 5,31; 6,35; 6,63 g/g vật liệu. Bên cạnh đó, vật liệu có thể tái sử dụng được 10 lần với hiệu suất xử lý hơn 50% [6]. Hầu hết các nghiên cứu đều tập trung vào ứng dụng vỏ chuối để hấp phụ các ion KLN trong nước [3], [5], [11], [12], [13], [20], trong đó chỉ có nghiên cứu của G. Alaa El-Din và cộng sự (2018) sử dụng vỏ chuối để làm vật liệu hấp phụ dầu [6]. Tuy nhiên, khả năng hấp phụ dầu chưa cao. Do đó, trong nghiên cứu này, chúng tôi đề xuất quy trình xử lý vỏ chuối biến tính với acid oleic nhằm tăng khả năng hấp phụ dầu của vật liệu và hạn chế khả năng ưa nước của vật liệu. 3 ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU Từ những phân tích như trên, vỏ chuối sẽ được tiền xử lý hoá học với kiềm, acid sau đó sẽ được biến tính với acid oleic. Theo đó, mục đ ch của việc xử lý kiềm nhằm để loại bỏ lignin, sáp, pectin, lớp phủ và làm lộ ra bề mặt bên trong của sợi tự nhiên giúp tăng khả năng hấp phụ dầu (Wahi và cộng sự., 2013, Abdullah và cộng sự., 2010) [1]; trong khi đó, việc xử lý vật liệu bằng acid sẽ ngăn chặn sự phơi nhiễm và tăng các nhóm cellulose hydrôxyl của thành sợi xơ vỏ chuối [1]. Bên cạnh đó, việc gắn các phân tử acid oleic sẽ hình thành các liên kết este tạo thành các xúc tua bắt dầu, dẫn đến gia tăng khả năng hấp phụ dầu đồng thời làm mất các nhóm hydrôxyl (OH-) sẽ hạn chế khả năng ưa nước của vật liệu [14]. Quy trình xử lý vật liệu vỏ chuối sử dụng để làm vật liệu hấp phụ dầu được đề xuất theo Hình 1. Vỏ chuối sau khi được thu gom từ các cơ sở sản xuất sẽ được rửa sạch sẽ và xử lý sơ bộ để loại bỏ bụi bẩn. Sau đó, vỏ chuối được sấy ở nhiệt độ 85  2oC trong 24 giờ và hút ẩm, bảo quản ở nhiệt độ phòng. Do trong vỏ chuối hàm lượng lignin chiếm từ 15 - 20% vậy nên nếu sấy ở nhiệt độ quá cao thì vỏ chuối sẽ bị khét, nhiệt độ thích hợp để sấy vỏ chuối là 85oC. Tiếp theo, vỏ chuối sẽ được nghiền và cho qua các rây có kích thước khác nhau từ 0,15 – 0,3 mm. Vật liệu vỏ chuối thô sẽ được ngâm trong dung dịch kiềm (NaOH) và tiếp tục được ngâm trong dung dịch acid (H2SO4), sau đó rửa vật liệu cho đến khi pH trung tính. Vật liệu sau khi được xử lý hóa học sẽ được biến tính với acid oleic với các tỷ lệ vỏ chuối/acid oleic = 1/0,4 đến 1/1 đến theo khổi lượng. Sau đó, vật liệu được rửa sạch nhiều lần bằng n-hexan để loại bỏ acid oleic dư thừa. Cuối cùng, vật liệu được bảo quản trong hũ/túi nilon. 285 Hình 1: Sơ đồ nghiên cứu Để đánh giá khả năng hấp phụ của vỏ chuối, các vật liệu hấp phụ được chế tạo từ vỏ chuối bao gồm vật liệu thô và vật liệu biến tính với acid oleic sẽ được chụp SEM (Kính hiển vi điện tử quét), FTIR (Quang phổ hồng ngoại) và quan sát dưới kính hiển vi để xác định hình thái bề mặt. Sau đó, được chụp ảnh TEM (Kính hiển vi điện tử truyền qua), FTIR để xác định sự hình thành các liên kết. Tiếp theo, áp dụng phương pháp: Xác định dầu mỡ tổng (SMEWW 5520 OIL AND GREASE B2012) để xác Xác định các yếu tố ảnh hưởng Vỏ chuối Xử lý sơ bộ Sấy (85  2 oC) Nghiền Rây Sấy lần 2 (85  2 oC) Vật liệu thô Vật liệu hấp phụ tự nhiên Xử lý hóa học Biến tính với acid oleic Vật liệu hấp phụ biến tính Khảo sát bề mặt hình thái qua ảnh: SEM, TEM, FTIR Khảo sát khả năng hấp phụ Ứng dụng xử lý nguồn nước nhiễm dầu ả ề ặ ả 286 định được dung lượng hấp phụ qua các thí nghiệm khảo sát dung lượng hấp phụ cực đại, các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ của vỏ chuối. 4 KẾT QUẢ NHIÊN CỨU Ơ BỘ Tiến hành thí nghiệm cho 1g vật liệu hấp phụ vào trong 100 ml mẫu nước nhiễm dầu giả định với váng dầu dày 5 mm, thời giap hấp phụ là 20 phút. Sau đó, tách vật liệu hấp phụ ra khỏi dung dịch bằng phương pháp lọc nhanh và xác định hàm lượng dầu còn lại trong nước sau hấp phụ. Hình 1: Cho vật liệu vào trong mẫu nước nhiễm dầu giả định Kết quả sơ bộ cho thấy khả năng hấp phụ dầu của 3 mẫu vật liệu hấp phụ: vật liệu thô, vật liệu xử lý hóa học, vật liệu biến tính như sau: Bảng 2: Kết quả nghiên cứu sơ bộ Mẫu Lượng dầu ban đầu (g) Lượng dầu còn lại (g) Lượng dầu hấp phụ (g) Vật liệu hấp phụ thô 8.012 6,78 1.232 Vật liệu xử lý hóa học 8.037 5,61 2.427 Vật liệu biến tính 8.126 4 4.146 6 KẾT LUẬN Qua các đánh giá ban đầu dựa trên các tài liệu liên quan và quá trình khảo sát ban đầu qua các thí nghiệm cơ bản, vỏ chuối có cấu trúc gồm nhiều sợi cellulose, đây là một cấu trúc tiền đề cho việc sử dụng làm vật liệu hấp phụ dầu. Các nghiên cứu thực tế cho thấy vỏ chuối bản chất đã có thể hấp phụ dầu tương đối tốt, nhưng do bản chất đây là loại vật liệu hữu cơ có nguồn gốc tự nhiên nên có khối riêng lớn làm cho khả năng nổi được của vật liệu trong môi trường nước kém, dẫn đến hiệu quả hấp phụ dầu chưa ở mức tốt nhất và khả năng thu gom sau xử lý gặp nhiều khó khăn. Tuy nhiên, đối với vỏ chuối đã bổ sung acid oleic thì khả năng hấp phụ dầu có thể sẽ được cải thiện một cách đáng kể vì nó hạn chế đi các nhược điểm của vật liệu hấp phụ tự nhiên. 287 Vỏ chuối đến nay thường được coi là rác, giá trị kinh tế thấp có thể sử dụng làm vật liệu hấp phụ để xử lý nước nhiễm dầu tốt khi được bổ sung thêm một số tác nhân hóa học. Nếu tân dụng được nguồn nguyên liệu này để sử dụng làm vât liệu hấp phụ dầu thì sẽ là một hướng đi mới và có ý ngh a bởi vì nguồn nguyên liệu có có sẵn và có sản lượng lớn tại Việt Nam. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Abdullah M., Muhammad Faez Mohd Kamaruzaman, Amirul Afif Zulkifli, Nur Haniza Md Kamis1 and Nur Amirah Mohd Shahar, Oil removal using durian peel wastes: effect of adsorbent condition, Malaysian Journal of Industrial Technology, Volume 1, No. 1, 2016, ISSN: 2462-2540 [2] Ahmed Bayat, Seyed Foad Aghamiri, Ahmed Moheb, G. RezaVakili-Nezhaad, Oil spill cleanup from sea water by sorbentmaterial, Chem. Eng. Technol. 28 (2005). [3] Arunakumara, Buddhi Charana Walpola, Min- Ho Yoon, Banana peel: A green solution for metal removal from contaminated waters, Korean J Environ Agric Vol 32, No 2 (2013), pp. 108- 116 [4] D. Sidiras, F. Batzias, I. Konstantinou, M. Tsapatsisb, Simulation of auto-hydrolysis effect on adsorptivity of wheatstraw in the case of oil spill cleaning, Chem. Eng. Res. Des. (2014) 1–11 [5] Đặng Văn Phi (2012), Nghiên cứu sử dụng vỏ chuối để hấp phụ một số ion kim loại nặng trong nước, Luận văn thạc s , Trường Đại học Đà Nẵng. [6] G. Alaa El-Din, A.A. Amer, G. Malsh, M. Hussein (2018) Study on the use of banana peels for oil spillremoval, Alexandria Engineering Journal (2018) 57, pp 2061-2068 [7] Gerald Deschamps, Herve Caruel, Marie-Elisabeth Borredon, Christophe Bonnin, Chrstian Vignoles, Oil Removal from Waterby Selective Sorption on Hydrophobic Cotton Fibers. 1. Studyof Sorption Properties and Comparison with Other CottonFiber-Based Sorbents, Environ. Sci. Technol. 37 (2003) 1013–1015. [8] I.M. Muhammad, U.A. El-Nafaty, S. Abdulsalam, Y.I. Makarfi, Removal of oil from oil produced water usingEggshell, Civil Environ. Res. 2 (8) (2012). [9] Kudaybergenov Kenes, Ongarbayev Yerdos, MansurovZulkhair, Doszhanov Yerlan, Study on the effectiveness ofthermally treated rice husks for petroleum adsorption, J. Non-Cryst. Solids 358 (2012) 2964–2969 [10] M. Husseien, A.A. Amer, Azza El-Maghraby, NeamaHamedallah, A comprehensive characterization of corn stalkand study of carbonized corn stalk in dye and gas oil sorption, J. Anal. Appl. Pyrol. 86 (2009) 360–363. [11] M.A. Hossain, H. Hao Ngo, W.S. Guo, T.V. Nguyen (2012), Removal of Copper from water by absorption onto banana peels as bioadsorbent, Int.J. of Geomate, Vol 2, pp. 227- 234 288 [12] M.N.A. Al- Azzawi, S.M. Shartooth, S.A.K. Al- Hiyaly (2013), The removal of Zinc, Nickel from Industerial Waste- Water using banana peels, Iraqi Journal of science, Vol 54, No.1, pp. 72- 81. [13] M.S. Mahmoud (2014), Banana peels as an Eco-sorbent for Manganese ions, International Journal of Biomolecular, Agricultural, Food and Biotechnological Engineering, Vol 8, No 11 [14] Nam T.V., Nguyen T.T., Dung D.N., Phuong P.T.H., 2020, Esterified Durian Peel Adsorbents with Stearic Acid for Spill Removal, Chemical Engineering Transactions, 78, 271-276. [15] Nguyễn Thị Kiều Duyên (2016), Điều chế và khảo sát ứng dụng của vật liệu hấp phụ từ vỏ chuối, Khóa luận tốt nghiệp, Trường Đại học Sư Phạm TP. Hồ Chí Minh [16] Rafeah Wahi, Luqman Chuah Abdullah, Thomas ChoongShean Yaw, Zainab Ngaini, Mohsen Nourouzi Mobarekeh, Oil removal from aqueous state by natural fibrous sorbent: anoverview, Sep. Purzf. Technol. 13 (2013) 1–4 [17] Renata S. D. Castro (2011), Banana Peel Applied to the Solid Phase Extraction of Copper and Lead from River Water: Preconcentration of Metal Ions with a Fruit Waste, I & EC, pp. 3446- 3451. [18] Shariff Ibrahim, Ha-Ming Ang, Shaobin Wang, Removal ofemulsified food and mineral oils from wastewater usingsurfactant modified barley straw, Biores. Technol. 100 (2009)5744– 5749. [19] Teik-Thye Lim, Xiaofeng Huang, Evaluation of kapok (Ceibapentandra (L.) Gaertn.) as a natural hollow hydrophobic–oleophilic fibrous sorbent for oil spill cleanup, Chemosphere 66(2007) 955–963. [20] Z. Abbasi, M. Alikarami, E.R. Nezhad, F. Moradi, V. Moradi (2013), Adsorptive removal of Co2+ and Ni2+ by peels of banana from aqueous solution, Universal Journal of chemistry 1(3): 90- 95. [21] Những hậu quả ô nhiễm môi trường biển do tràn dầu [online], viewed 11/02/2016, from:< dau/173158.vnp>. [22] Báo cáo đề tài Ô nhiễm tràn dầu ở bờ biển miền Trung [online], viewed 15/06/2016, from: