Tóm tắt
Vật liệu aero-cellulose ưa dầu kỵ nước (độ xốp > 90%, độ nổi tuyệt đối) được tổng hợp thành công từ sợi cellulose trích ly (độ tinh khiết 95%) từ nguồn giấy in thải. Phương pháp hoàn lưu dung môi được áp dụng giúp giảm thời gian và tăng hiệu quả biến tính cả về mặt kỹ thuật và kinh tế. Vật liệu sau biến tính có góc thấm ướt trung bình cao hơn 120o và độ ưa nước gần bằng 0 trong xử lý hút dầu từ hỗn hợp dầu - nước. Mỗi gam vật liệu sau 3 giờ hoàn lưu dung môi ETMS có thể thu hồi từ 30 - 45g dầu không lẫn nước và có thể tái sử dụng nhiều lần.
Từ khóa: Aerogel, cellulose tự nhiên, xử lý dầu tràn, hoàn lưu dung môi.
1. Mở đầu
Sự cố tràn dầu không chỉ gây ra tổn thất rất lớn về kinh tế, mà còn ô nhiễm môi trường sinh thái, đe dọa sức khỏe con người... do đó cần phải ứng cứu nhanh, sạch và an toàn. Ứng dụng chất hấp thụ dầu trong xử lý sự cố dầu tràn có thể xử lý thuận lợi và dễ dàng vật liệu sau khi hấp thụ dầu với độ thu hồi dầu tràn cao [1], được xem là một giải pháp mang lại hiệu quả, tính kinh tế và thân thiện với môi trường.
Yêu cầu phát triển vật liệu sở hữu các đặc tính quan trọng quyết định đến hiệu quả thu hồi dầu đang thúc đẩy xu hướng nghiên cứu biến đổi cấu trúc bề mặt và cấu trúc nội tại của sợi cellulose rỗng trong các sản phẩm thiên nhiên [2 - 6] và tổng hợp vật liệu siêu xốp cellulose aerogel (aero-cellulose) từ phế phẩm nông nghiệp [7 - 9]. Aero-cellulose là vật liệu siêu xốp, siêu nhẹ với 99% thể tích là không khí, sở hữu diện tích bề mặt nội tại rất lớn và cấu trúc lỗ xốp lý tưởng cho ứng dụng thấm hút. Trong tự nhiên, cellulose là polymer hữu cơ đan kết trong phần đệm lignocellulose, gồm lignin và hemicellulose của khoảng 150 triệu tấn sinh khối sản xuất hàng năm. So với vật liệu aerogel dựa trên silic nano [10], vật liệu dạng aero- gel dựa trên cellulose có các ưu điểm: chi phí cho quá trình tổng hợp thấp, dễ tổng hợp, thân thiện với môi trường và tạo ra sản phẩm có khả năng phân hủy sinh học từ nguồn nguyên liệu thô bền vững (cellulose).
Trong nghiên cứu này, vật liệu aero-cellulose được tổng hợp từ cellulose có trong giấy in thải. Nguyên liệu này có các ưu điểm như: giàu cellulose nhất; chiếm tỷ lệ lớn nhất trong rác thải rắn và thuận lợi cho việc thu gom nguyên liệu; không cần tiền xử lý loại nhựa (wax) bằng phương pháp thủy nhiệt trên nguyên liệu giấy thải trong quá trình trích ly cellulose; không cần xử lý lignin bằng kiềm và hóa chất tẩy trắng ở điều kiện khắc nghiệt do giấy thải chứa rất ít lignin. Do không sử dụng nhiều chất hóa học ở điều kiện khắc nghiệt, sợi cellulose trích ly thu được từ nguyên liệu giấy thải chất lượng cao, thân thiện với môi trường, thuận lợi cho việc tổng hợp cellulose aerogel. Sản phẩm aero-cellulose được nghiên cứu biến tính tăng tính ưa dầu, kỵ nước nhằm hướng đến ứng dụng xử lý dầu tràn và nước nhiễm dầu. Đặc trưng hóa lý và hiệu năng xử lý của vật liệu nghiên cứu khi mô phỏng tràn một số loại dầu thông dụng trên thị trường ra môi trường nước với tỷ lệ dầu:nước khác nhau cũng được trình bày.
2. Thực nghiệm
2.1. Thu thập, tiền xử lý và bảo quản nguyên liệu
Nguyên liệu giấy in thải sau khi được phân loại, làm sạch không lẫn rác, được ngâm trong nước qua đêm, sau đó nấu sôi trong 12 giờ, để nguội và cho vào máy xay nhỏ, tốc độ trung bình. Bột giấy sau đó được lọc, sấy ở 60oC trong 24 giờ và bảo quản trong bình hút ẩm.
2.2. Phương pháp và quy trình tổng hợp - biến tính
nhóm chức silane trong mẫu sau biến tính. Tổng cộng có 64 lần quét qua mẫu với độ phân giải 4cm-1 trong vùng 4.000 - 500cm-1.
Độ ưa dầu kỵ nước, thể hiện qua góc thấm ướt trên 100o, được xác định trên máy đo mã hiệu OCA20 (Dataphysics).
2.4. Phương pháp đánh giá hiệu năng xử lý dầu tràn ra môi trường nước và nước biển
Khả năng ứng dụng của vật liệu trong lĩnh vực xử lý dầu tràn và nước nhiễm dầu được đánh giá thông qua các chỉ tiêu như: độ nổi, độ hút dầu, độ hút nước và số lần tái sinh. Các chỉ tiêu này được xác định bằng phương pháp kiểm tra hiệu năng thấm hút dầu không tạo nhũ hay chất lỏng không tan nổi trên bề mặt nước theo tiêu chuẩn ASTM F 726 - 06 [16]. Môi trường nước biển mô phỏng theo tiêu chuẩn ASTM D1141-98 (2013) [17] được sử dụng trong các phép thử đánh giá, so sánh.
Hàm lượng nước trong dầu sau khi thu hồi được xác định bằng phương pháp chuẩn độ Karl Fischer theo tiêu chuẩn ASTM D6304-04 [18] trên thiết bị Karl Fischer Coilometric C30 (Mettler Tonedo, Thụy Sĩ).
Bảng 1. Kết quả phân tích thành phần xơ sợi của giấy in thải Và sản phẩm thu được sau quá trình trích ly (Hình 1)
3.Ola Abdelwahab, Samir M.Nasr, Walaa M.Thabet. Palm fibers and modified palm fibers adsorbents for different oils. Alexandria Engineering Journal. 2017; 56(4): p. 749 - 755.
4.Dan Li, Fu Zhen Zhu, Jing Yi Li, Ping Na, Na Wang. Preparation and characterization of cellulose fibers from corn straw as natural oil sorbents. Industrial & Engineering Chemistry Research. 2103; 52(1): p. 516 - 524.
5.Đào Trọng Hiền, Ngô Quốc Bưu, Huỳnh Thị Hà, Nguyễn Hoài Châu. Nghiên cứu điều chế vật liệu dialdehyt xenlulo bằng phương pháp oxy hóa periodat và các tính chất cơ lí của nó. Tạp chí Khoa học và Công nghệ. 2011; 49(1): p. 63 - 72.
6.Nguyễn Châu Giang. Nghiên cứu chế tạo vi sợi xenlulo từ cây luồng và ứng dụng trong vật liệu composit. Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật hóa học. Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. 2012.
7.Zhanying Li, Lin Shao, Wenbin Hu, Tingting Zheng, Lingbin Lu, Yang Cao, Yongjun Chen. Excellent reusable chitosan/cellulose aerogel as an oil and organic solvent absorbent. Carbohydrate Polymers. 2018; 191: p. 183 - 190.
8.Runjun Lin, Ang Li, Tingting Zheng, Lingbin Lu, Yang Cao. Hydrophobic and flexible cellulose aerogel as an efficient, green and reusable oil sorbent. RSC Advances. 2015; 5: p. 82027 - 82033.
9.Son T.Nguyen, Jingduo Feng, Nhat T.Le, Ai T.T.Le, Nguyen Hoang, Vincent B.C.Tan, Hai M.Duong. Cellulose aerogel from paper waste for crude oil spill cleaning. Industrial & Engineering Chemistry Research. 2013; 52(51): p. 18386 - 18391.
10.Hoàng Thị Phương. Nghiên cứu tổng hợp và biến tính vật liệu nanosilica ứng dụng cho quá trình thu hồi dầu. Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật hóa học. Đại học Bách khoa Hà Nội. 2018.
11.EN ISO 13906 (AOAC 973.18). Analysis of acid detergent fibre (ADF) and lignin (ADL) in feed.
12.EN ISO 16472 (AOAC 2002.04). Analysis of neutral detergent fiber (NDF) in feed.
13.A.Sluiter, B.Hames, R.Ruiz, C.Scarlata, J.Sluiter, D.Templeton. Determination of ash in biomass: Laboratory analytical procedure (LAP). Technical Report National Renewable Energy Laboratory/TP-510-42622. 2008.
14.Test Method T222 om-02 (R2011). Acid-insoluble lignin in wood and pulp. Technical Association of the Pulp and Paper Industry. 2011.
15.ASTM D-3906-03(2013). Standard test method for determination of relative X-ray diffraction intensities of faujasite-type zeolite-containing materials.
16.ASTM F 726-06. Standard test method for sorbent performance of adsorbents.
17.ASTM D1141 - 98(2013). Standard practice for the preparation of substitute ocean water.
18.ASTM D 6304-04. Standard test method for determination of water in petroleum products, lubricating oils, and additives by coulometric karl fischer titration.
19.Dieter Klemm, Brigitte Heublein, Hans-Peter Fink, Andreas Bohn. Cellulose: fascinating biopolymer and sustainable raw material. Angewandle Chemie International Edition. 2005; 44(22): p. 3358 - 3393.
20.Yasuhiro Takahashi, Hideki Matsunaga. Crystal structure of native cellulose. Macromolecules. 1991; 24(13): p. 3968 - 3969.
21.Noriko Hayashi, Junji Sugiyama, Takeshi Okano, Mitsuro Ishihara. Selective degradation of the cellulose Iα component in Cladophora cellulose with Trichoderma viride cellulase. Carbohydrate Research. 1998; 305(1): p. 109 - 116.
22.Haiping Yang, Rong Yan, Hanping Chen, Dong Ho Lee, Chuguang Zheng. Characteristics of hemicellulose, cellulose and lignin pyrolysis. Fuel. 2007; 86(12-13): p. 1781
- 1788.
23.Eduardo Robles, Iñaki Urruzola, Jalel Labidi, Luis Serrano. Surface-modified nano-cellulose as reinforcement in poly (lactic acid) to conform new composites. Industrial Crops and Products. 2015; 71: p. 44 - 53.
24.Weixia Qing, Yong Wang, Youyou Wang, Dongbao Zhao, Xiuhua Liu, Jinhua Zhua. The modified nanocrystalline cellulose for hydrophobic drug delivery. Applied Surface Science. 2016; 366: p. 404 - 409.
25.Jingquan Han, Chengjun Zhou, Yiqiang Wu, Fangyang Liu, Qinglin Wu. Self-Assembling behavior of cellulose nanoparticles during freeze drying: Effect of suspension concentration, particle size, crystal structure, and surface charge. Biomacromolecules. 2013; 14(5): p. 1529 - 1540.
26.Hanieh Kargarzadeh, Rasha M. Sheltami, Ishak Ahmad, Ibrahim Abdullah, Alain Dufresne. Cellulose nanocrystal: A promising toughening agent for unsaturated polyester nanocomposite. Polymer. 2015; 56: p. 346 - 357.
27.Hanieh Kargarzadeh, Ishak Ahmad, Ibrahim Abdullah, Alain Dufresne, Siti Yasmine Zainudin, Rasha M.Sheltami. Effects of hydrolysis conditions on the morphology, crystallinity, and thermal stability of cellulose nanocrystals extracted from kenaf bast fibers. Cellulose. 2012; 19(3): p. 855 - 866.
28.Rosica Mincheva, Latifah Jasmani, Thomas Josse, Yoann Paint, Jena-Marie Raquez, Pascal Gerbaux, Samuel Eyley, Wim Thielemans, Philippe Dubois. Binary mixed homopolymer brushes tethered to cellulose nanocrystals: a step towards compatibilized polyester blends. Biomacromolecules. 2016; 17(9): p. 3048 - 3059.
29.Daniele Oliveira Castro, Julien Bras, Alessandro Gandini, Naceur Belgacem. Surface grafting of cellulose nanocrystals with natural antimicrobial rosin mixture using a green process. Carbohydrate Polymers. 2016; 137: p. 1 - 8.
30.Daniel Loof, Matthias Hiller, Hartmut Oschkinat, Katharina Koschek. Quantitative and qualitative analysis of surface modified cellulose utilizing TGA-MS. Materials. 2016; 9(6).
31.Juan Rubio, Maria Alejandra Mazo, Araceli Mártin- Ilana, Aitana Tamayo. FT-IR study of the hydrolysis and condensation of 3-(2-amino-ethylamino)propyl-trimethoxy silane. Boletín de la Sociedad Española de Cerámica y Vidrio. 2018; (57): p. 160 - 168.
Võ Nguyễn Xuân Phương, Lương Ngọc Thủy,
Lê Phúc Nguyên, Nguyễn Hữu Lương
Viện Dầu khí Việt Nam