BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU POLYME XỐP CẤU
TRÚC MAO QUẢN NANO ỨNG DỤNG ĐỂ XỬ LÝ PHENOL VÀ
CÁC DẪN XUẤT CỦA CHÚNG TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC

CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

NGỌC THỊ MƠ

HÀ NỘI, NĂM 2018


BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU POLYME XỐP CẤU
TRÚC MAO QUẢN NANO ỨNG DỤNG ĐỂ XỬ LÝ PHENOL VÀ
CÁC DẪN XUẤT CỦA CHÚNG TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC

NGỌC THỊ MƠ

CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG
MÃ SỐ: 60440301
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. MAI VĂN TIẾN

HÀ NỘI, NĂM 2018


LỜI CẢM ƠN!
Lời đầu tiên với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc nhất, tôi xin gửi lời cảm ơn
tới TS. Mai Văn Tiến, Giảng viên khoa Môi trường, trường Đại học Tài nguyên và
Môi trường Hà Nội – người đã hướng dẫn, tận tình chỉ bảo tôi thực hiện thành
công luận văn thạc sỹ này.
Xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban lãnh đạo khoa Môi trường cùng các
thầy cô phòng Phân tích khoa Môi trường - trường Đại học Tài nguyên và Môi
trường Hà Nội đã hết lòng ủng hộ, giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi
trong suốt thời gian thực hiện luận văn này.
Xin cảm ơn phòng phân tích Viện Vật liệu, phòng phân tích khoa Hóa Đại học
Sư phạm Hà Nội, trung tâm Đo lường – Viện Công nghệ và phòng phân tích viện Địa
lý Việt Nam đã giúp đỡ tôi về thiết bị máy móc sử dụng.
Xin cảm ơn các bạn học viên, sinh viên cùng thực hiện đề tài đã chia sẻ các
khó khăn cùng tôi hoàn thành những phần việc của đề tài nghiên cứu.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, nguời thân và bạn
bè luôn mong muốn tôi hoàn thành tốt bài luận văn.
Trong quá trình thực hiện luận văn dù đã rất cố gắng nhưng không thể tránh
khỏi những thiết sót, vì vậy em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của quý
Hội đồng, quý thầy cô và các bạn để luận văn của em được hoàn chỉnh hơn.
Em xin chân thành cảm ơn !
Hà Nội ngày 06 tháng 02 năm 2018
Học viên

Ngọc Thị Mơ


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
LỜI CẢM ƠN!

1.3.3.Tổng hợp vật liệu polyme xốp cấu trúc mao quản nano trên cơ sở copolyme
divinyl benzene-styren
..............................................................................................22
1.4.Tổng quan về phenol ...........................................................................................23


1.4.1.Giới thiệu về phenol
.........................................................................................23
1.4.2.Nguồn gốc phát sinh của phenol
......................................................................24
1.4.3.Ảnh hưởng của phenol tới con người và môi trường
.......................................25


1.4.4.Các phương pháp xử lý phenol trong môi trường
nước...................................27
CHƯƠNG II: THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........29
2.1.Đối tượng, phạm vi nghiên cứu ..........................................................................29
2.1.1.Đối tượng nghiên
cứu.......................................................................................29
2.1.2.Phạm vi nghiên cứu..........................................................................................29
2.2.Hóa chất, thiết bị sử dụng
...................................................................................29
2.2.1.Nguyên liệu, hóa chất.......................................................................................29
2.2.2.Thiết bị sử dụng ...............................................................................................30
2.3. Tổng hợp chế tạo vật liệu polyme xốp cấu trúc mao quản nano .......................30
2.3.1.Quy trình sơ đồ tổng hợp vật liệu polyme xốp ................................................31
2.3.2. Hiệu suất của quá trình tổng hợp polyme xốp
................................................32
2.4. Khảo sát và tối ưu hóa các điều kiện phản ứng tổng hợp vật liệu .....................33



3.1.2. Ảnh hưởng hàm lượng của chất xúc tác benzoyl peroxit đến tính chất của vật
liệu.47
3.1.3. Ảnh hưởng hàm lượng của chất tạo huyền phù gelantin đến tính chất của vật
liệu..49
3.1.4. Ảnh hưởng tỷ lệ nước/xylen trong hệ dung môi tới quá trình tổng hợp và
tính chất của vật liệu polyme
xốp.....................................................................................50
3.1.5. Ảnh hưởng nhiệt độ phản ứng tới quá trình tổng hợp và tính chất của vật liệu
polyme xốp tạo thành
................................................................................................52
3.1.6. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng tới quá trình tổng hợp và tính chất của
vật liệu polyme xốp tạo thành
.........................................................................................53
3.1.6. Ảnh hưởng của tốc độ khuấy tới quá trình tổng hợp và tính chất của vật liệu
polyme xốp tạo thành
................................................................................................55
3.2. Điều kiện công nghệ thích hợp để tổng hợp polyme xốp cấu trúc mao quản
nano ...........................................................................................................................5
8
3.3. Kết quả phân tích đặc trưng, cấu trúc và tính chất của vật liệu polyme xốp cấu
trúc mao quản nano
...................................................................................................58
3.3.1. Kết quả phân tích xác định tính chất cơ lý của vật liệu ..................................58
3.3.2. Phân tích đặc trưng cấu trúc của vật liệu polyme xốp ...................................60
3.4. Đánh giá khả năng hấp phụ của vật liệu polyme xốp cấu trúc mao quản nano
ứng dụng để xử lý phenol trong môi trường nước.
...................................................64
3.4.1. Thử nghiệm đánh giá và khảo sát các yếu tố ảnh hưởng tới khả năng hấp phụ


ĐHQGHN

: Đại học Quốc gia Hà Nội

TNHH

: Trách nhiệm hữu hạn

DD

: Dung dịch

SEM

: Scanning Electron Microscope

TGA

: Thermal gravimetric analysis

TEM

: Transmission Electron Microscope

DTA

: Diferential Thermal Analysis

DSC


ST

: Stiren

IR

: Infrared


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Nồng độ phenol trong nước thải của một số ngành công nghiệp ............. 24
Bảng 2.1. Danh mục các hóa chất nghiên cứu .......................................................... 29
Bảng 2.2. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian hấp phụ .............................................. 40
Bảng 2.3. Khảo sát ảnh hưởng pH trong quá trình hấp phụ...................................... 41
Bảng 2.4. Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ khuấy đối với quá trình hấp phụ ............ 41
Bảng 2.5. Xác định dung lượng hấp phụ cực đại ...................................................... 43
Bảng 2.6. Xây dựng đường chuẩn Phenol ................................................................ 44
Bảng 3.1. Ảnh hưởng của hàm lượng tỷ lệ DVB/ST đến hiệu suất tổng hợp vật liệu46
Bảng 3.2. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng chất xúc tác benzoyl peroxit
đến hiệu suất và dung lượng hấp phụ của vật liệu .................................................... 48
Bảng 3.3. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng chất tạo huyền phù gelatin
đến hiệu suất và dung lượng hấp phụ của vật liệu .................................................... 49
Bảng 3.4. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ dung môi nước-xylen đến hiệu
suất tổng hợp và kích thước hạt trung bình của vật liệu polyme xốp ....................... 50
Bảng 3.5. Ảnh hưởng nhiệt độ phản ứng tổng hợp đến tính chất vật liệu polyme
xốp ............................................................................................................................. 52
Bảng 3.6. Ảnh hưởng tốc độ khuấy đến tính chất vật liệu polyme xốp.................... 56
Bảng 3.7. Điều kiện tối ưu tổng hợp vật liệu polyme xốp ........................................ 58
Bảng 3.8. Kết quả phân tích độ bền nén của vật liệu ................................................ 58

Hình 3.4. Ảnh hưởng tốc độ khuấy tới sự phân bố kích thước hạt trung bình của vật
liệu tạo thành ở tốc độ khuấy 600 v/phút
..................................................................57
Hình 3.5. Kết quả phân tích IR của vật liệu polyme xốp (DVB/ST = 2/1)...............60
Hình 3.6. Kết quả phân tích IR của vật liệu polyme xốp (DVB/ST = 3/1)...............61
Hình 3.7. Vật liệu polyme xốp tỷ lệ (DVB/ST=2/1).................................................61
Hình 3.8. Vật liệu polyme xốp tỷ lệ (DVB/ST=3/1).................................................61
Hình 3 .9. Sự phân bố kích thước lỗ mao quản của vật liệu polyme xốp theo
langmuir (tỷ lệ DVB/ST = 2/1) .................................................................................62
Hình 3.10. Sự phân bố kích thước lỗ xốp của vật liệu polyme theo BJH

(tỷ

lệ DVB/ST = 2/1) ......................................................................................................62
Hình 3.11. Đồ thị đường hấp phụ đẳng nhiệt đối N2 của vật liệu polyme xốp xác
định diện tích bề mặt
.................................................................................................62


Hình 3.12. Kết quả phân tích nhiệt của vật liệu polyme xốp với tỉ lệ DVB/ST= 2/1
...................................................................................................................................63


Hình 3.13. Kết quả phân tích nhiệt của vật liệu polyme xốp với tỉ lệ DVB/ST= 3/1
...................................................................................................................................6
3
Hình 3.14. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của pH tới dung lượng hấp phụ..................65
Hình 3.15. Đồ thị xác định Qmax đối với phenol ......................................................67
Hình 3.16. Đồ thị xác định nồng độ phenol thoát ra sau quá trình hấp phụ
.............68

xuất của chúng trong môi trường nước” không những có ý nghĩa về mặt khoa học,
tính ứng dụng thực tiễn trong việc xử lý nguồn nước bị ô nhiễm, đảm bảo chất
lượng nước theo yêu cầu mà còn có ý nghĩa lớn góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi
trường hiện nay.


1


2

MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa đang diễn ra mạnh mẽ, làm cho nền
kinh tế cũng như mọi mặt của cuộc sống xã hội thay đổi từng ngày. Tuy nhiên, bên
cạnh những hoạt động tích cực mà kinh tế mang lại vẫn tồn tại những ảnh hưởng
không tốt đến môi trường, xã hội. Sự phát triển đó gây ra các vấn đề ô nhiễm môi
trường nói chung, ô nhiễm nguồn nước nói riêng mà trong đó ô nhiễm chất hữu
cơ trong nguồn nước đang có chiều hướng gia tăng mạnh mẽ.
Ô nhiễm nguồn nước là một trong những vẫn đề nghiêm trọng và cấp bách
không chỉ ở một vài quốc gia mà trên toàn thế giới đang ngày càng đe dọa đến
cuộc sống nhân loại. Các ngành công nghiệp cao su, hóa chất, dầu mỏ, công nghiệp
thực phẩm, thuốc bảo vệ thực vật, y dược, luyện kim, xi mạ, giấy, dệt nhuộm ...
thải ra môi trường nhiều loại các hợp chất hữu cơ có chứa vòng thơm phức tạp và
độc hại, đặc biệt là phenol, anilin và các dẫn xuất của chúng tồn tại ở những dạng
rất khó xử lý làm cho nguồn nước bị ô nhiễm, có màu sắc và mùi vị khó chịu gây tác
động xấu đến sức khoẻ con người. Do vậy việc xử lý và loại bỏ các loại chất gây ô
nhiễm này là hết sức cần thiết và cấp bách.
Hiện nay trên thế giới có rất nhiều phương pháp và công nghệ xử lý các hợp
chất hữu cơ hiệu quả về mặt chất lượng, tuy nhiên chi phí xử lý cao nên rất khó áp

tôi đề xuất chọn hướng đề tài: “Nghiên cứu tổng hợp vật liệu polyme xốp cấu
trúc mao quản nano, thử nghiệm khả năng xử lý phenol và các dẫn xuất của
chúng trong môi trường nước”. Đây là một vấn đề cấp thiết, có ý nghĩa lớn trong
việc xử lý nguồn nước bị ô nhiễm, đảm bảo chất lượng nước theo yêu cầu và an
toàn cho sức khoẻ con người.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Xây dựng được quy trình tổng hợp vật liệu polyme xốp cấu trúc mao quản nano
trên cơ sở copoly (divinyl benzen-styren) có diện tích bề mặt riêng lớn. Thử nghiệm
và đánh giá được hiệu quả xử lý phenol và các dẫn xuất của phenol trong nước của
vật liệu tổng hợp được.


3. Nội dung luận văn
Nội dung luận văn gồm có 3 chương:
 Chương 1: Tổng quan
Tổng quan tài liệu về vật liệu polyme, polyme xốp cấu trúc mao quản nano,
thử nghiệm xử lý phenol và các dẫn xuất của phenol trong môi trường nước.
 Chương 2: Thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lựa chọn quy trình công nghệ tổng hợp vật liệu polyme xốp cấu
trúc mao quản nano trên cơ sở copoly (P.divinyl benzen-styren) để thu được vật
liệu có diện tích bề mặt riêng lớn (>350m2/g).
Tổng hợp vật liệu, nghiên cứu xác định các điều kiện thích hợp để tổng hợp
vật liệu polyme xốp cấu trúc mao quản nano (tỷ lệ thành phần monome tham gia
phản ứng, chất khơi mào, chất xúc tác, chất tạo huyền phù, nhiệt độ, thời gian, áp
suất....).
Phân tích đặc trưng cấu trúc, xác định tính chất cơ, lý, hóa của vật liệu tạo ra
(khối lượng riêng, nhiệt độ chảy mềm, độ xốp, diện tích bề mặt, thể tích mao
quản, kích thước và sự phân bố mao quản.....).
Nghiên cứu quá trình lọc, hấp phụ và giải hấp của vật liệu đối với các loại
dung môi hữu cơ có chứa phenol và các dẫn xuất của phenol.

của polyanilin với chất mang là các oxit Fe2O3 và CoO kích cỡ nano có sử dụng
propylxenlulozo làm chất bề mặt [19]. Hai nhà khoa học Lijuan Zhang và Meixiang
Wan cũng đã nghiên cứu tổng hợp ống nano compozit từ Polyaniline và TiO2 [20];
R.K.Gupta và cộng sự (Ấn Độ) đã nghiên cứu hấp phụ ion thủy ngân trong nước
thải của vật liệu compozit chế tạo từ polyanilin và polystyrene [21]. Cũng đã có
nhiều công trình nghiên cứu dùng polyme hấp phụ để lọc máu thay thế chức năng
của gan (polymerics - CHLB Đức), tách Albumin (Thổ Nhĩ Kỳ)... Việc ứng dụng vật
liệu này trong việc xử lý nước thải dệt nhuộm và các loại nước thải chứa các dung
môi hữu cơ độc hại cũng rất phổ biến.


1.1.2. Tình hình nghiên cứu về vật liệu polyme xốp cấu trúc mao quản nano ở
trong nước.
Về nghiên cứu tổng hợp và ứng dụng vật liệu polyme xốp, cấu trúc mao quản
nano trong nước hiện nay còn khá mới mẻ, ít được quan tâm. Tuy vậy cũng đã
có một số công trình nghiên cứu thăm dò và đã đạt được một số kết quả nhất định
là đã tổng hợp được vật liệu polyme xốp cấu trúc mao quản nano và định hướng
ứng dụng để tách các hoạt chất có giá trị kinh tế cao, điển hình như: Nghiên cứu
tổng hợp Polyme hấp phụ ứng dụng để tách các loại hoạt chất có giá trị cao của
viện hóa học công nghiệp do TS. Mai Văn Tiến là chủ nghiệm [1]; Tổng hợp, nghiên
cứu vật liệu hấp phụ compozit từ polyaniline và các phụ phẩm nông nghiệp hướng
đến ứng dụng xử lý môi trường của trường Đại học Thái Nguyên do TS. Bùi Minh
Quý làm chủ nhiệm [2]; Nhóm tác giả Viện công nghệ môi trường với hướng
nghiên cứu “Nghiên cứu chế tạo bộ dụng cụ lọc ceramic xốp cố định nano bạc
dùng cho mục đích làm sạch nước quy mô gia đình” [3]; Nhóm các tác giả tại
Trường Đại học KHTN- ĐHQGHN với định hướng nghiên cứu sử dụng các loại vật
liệu nano của một số kim loại và nano oxít kim loại như (Ag, Fe, TiO2, CeO2, MnO...)
trong việc xử lý môi trường nước. Cũng có một số Trường và Viện nghiên cứu
trong nước hiện nay đã tiến hành nghiên cứu sử dụng cacbon nanotube trong việc
sử xử nước thải chứa các dung môi hữu cơ chứa vòng thơm độc hại [1].

bằng silicagen, than hoạt tính hấp phụ SO2, CO…[11].
 Hấp phụ hóa học
Hấp phụ hóa học xảy ra khi các phân tử chất hấp phụ tạo hợp chất hóa
học với các phân tử chất bị hấp phụ. Lực hấp phụ hóa học khi dó là lực liên kết hóa
học thông thuờng (liên kết ion, cộng hóa trị, liên kết phối trí…) Nhiệt hấp phụ hóa
học tương đương với nhiệt phản ứng hóa học và có thể đạt tới giá trị 100
kcal/mol. Cấu trúc điện tử của cả chất hấp phụ và chất bị hấp phụ dều có sự biến
dổi sâu sắc, tạo thành liên kết hóa học.
Hấp phụ hóa học có tốc độ hấp phụ nhanh và có tính chọn lọc với chất bị hấp
phụ, tuy nhiên chi phí vật liệu hấp phụ hóa học cao và không có khả năng hoàn
nguyên, được ứng dụng thực tế để hấp phụ các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi bằng
Al2O3-zeolit [11].


Trong thực tế, sự phân biệt hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học chỉ là tuong dối
vì ranh giới giữa chúng không rõ rệt. Trong một số quá trình hấp phụ xảy ra dồng
thời cả hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học
b) Hấp phụ trong môi trường nước
Trong môi trường nước, sự tương tác giữa một chất hấp phụ và một chất
bị hấp phụ phức tạp hơn rất nhiều vì trong hệ có ít nhất ba thành phần gây tương
tác: nước, chất hấp phụ và chất bị hấp phụ. Do sự có mặt của dung môi nên trong
hệ sẽ xảy ra sự hấp phụ cạnh tranh giữa chất bị hấp phụ và dung môi trên bề mặt
chất hấp phụ. Cặp nào có tương tác mạnh thì hấp phụ xảy ra ở cặp đó. Tính chọn
lọc của cặp tương tác phụ thuộc vào các yếu tố: độ tan của chất bị hấp phụ trong
nước, tính ưa hoặc kị nước của chất hấp phụ, mức độ kị nước của các chất bị hấp
phụ trong môi trường nước [8].
Khả năng hấp phụ của chất tan lên chất hấp phụ còn phụ thuộc vào tính
tương đồng giữa chất bị hấp phụ và chất hấp phụ về độ phân cực: chất không phân
cực (chất hữu cơ) hấp phụ tốt trên các chất hấp phụ không phân cực và ngược
lại. So với quá trình hấp phụ trong pha khí thì quá trình hấp phụ trong pha lỏng