Luận án nghiên cứu biến tính tinh bột - Nguyễn Văn Hùng, Học viện Khoa học và Công nghệ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- NGUYỄN VĂN HÙNG NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH TINH BỘT, CHẾ TẠO VẬT LIỆU MONTMORILLONITE-TINH BỘT ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ HOÁ HỮU CƠ Thành phố Hồ Chí Minh - Năm 2024 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- NGUYỄN VĂN HÙNG NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH TINH BỘT, CHẾ TẠO VẬT LIỆU MONTMORILLONITE-TINH BỘT ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ HOÁ HỮU CƠ Mã số: 9 44 01 14 Thành phố Hồ Chí Minh - Năm 2024 i LỜI CAM ĐOAN Luận án được nghiên cứu không có sự sao chép bất kỳ nội dung nào của những tác giả và các công trình nghiên cứu trước đó. Những giá trị thực nghiệm trong luận án và các tài liệu tham khảo được trích dẫn trong luận án là hoàn toàn chính xác và trung thực. ii LỜI CẢM ƠN Quá trình nghiên cứu luận án được sự hỗ trợ rất lớn của Ban Giám Đốc Trung Tâm Dịch Vụ Phân Tích Thí Nghiệm TP.HCM về nguồn kinh phí đào tạo và sử dụng tối đa trang thiết bị hiện đại có tại đơn vị giúp tôi hoàn thành tốt luận án này. Đồng thời, tôi gởi lời cảm ơn rất sâu sắc đến những người bạn thân thiết, các đồng nghiệp tại các phòng ban trong Trung Tâm đã hỗ trợ hết mình ở những thời điểm khó khăn nhất trong quá trình thực hiện luận án này.

Tôi xin chân thành cảm ơn Học viện Khoa học và Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tạo điều kiện tốt nhất và giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình thực hiện luận án. Tôi rất hãnh diện về gia đình nhỏ của mình, đặc biệt người vợ của tôi đã hy sinh rất nhiều trong việc chăm sóc, nuôi dạy con cái trong suốt quá trình thời gian dài để hoàn thành luận án này. Người giúp đỡ tôi rất nhiều về mọi mặt trong công việc, là nguồn động viên vô cùng to lớn, và tạo nhiều động lực giúp tôi vượt qua rất nhiều khó khăn trong quá trình nghiên cứu. iii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN.

ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT. vii DANH MỤC CÁC BẢNG. viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ.1 Tổng quan về tinh bột và các phương pháp biến tính tinh bột .2 Biến tính tinh bột bằng các phương pháp vật lý .1 Phương pháp áp suất thủy lực cao .2 Phương pháp vi sóng.3 Phương pháp xung điện trường .4 Phương pháp bức xạ ion hóa .3 Biến tính tinh bột bằng các phương pháp hóa học .1 Phản ứng thủy phân axít.2 Phản ứng tạo liên kết ngang .3 Phản ứng este hóa .4 Ứng dụng tinh bột trong xử lý môi trường .1 Hấp phụ màu nhuộm .2 Hấp phụ các ion kim loại .2 Tổng quan về MMT và ứng dụng trong xử lý môi trường.1 Tổng quan về MMT .2 Ứng dụng của MMT trong xử lý môi trường .3 Tổng quan về hấp phụ .1 Hấp phụ vật lý .2 Hấp phụ hoá học .3 Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt.1 Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir .2 Mô hình đẳng nhiệt Freundlich .3 Mô hình hấp phụ Sips. Mô hình hấp phụ Redlich-Peterson .4 Mô hình hấp phụ động học .1 Mô hình động học bậc 1.2 Mô hình động học bậc 2.3 Mô hình Elovich .4 Mô hình khuếch tán nội hạt .5 Nhiệt động học của hấp phụ .6 Cơ chế quá trình hấp phụ của ion kim loại và màu nhuộm .2 Liên kết hydro.4 Liên kết ion.1 Nguyên liệu hóa chất và thiết bị dùng phân tích .1 Nguyên liệu hóa chất .2 Thiết bị dùng phân tích .2 Tổng hợp tinh bột oxi hóa và MMT.1 Tinh bột oxi hoá.2 Tổng hợp MMT từ nguồn bentonite ban đầu .1 Quá trình xử lý bentonite nguyên liệu .2 Montmorillonite biến tính với tinh bột và tinh bột oxi hóa .3 Quy trình hấp phụ các ion kim loại Pb2+, Cd2+, Ni2+ và màu CV .1 Nghiên cứu sự hấp phụ các ion Pb2+, Cd2+, Ni2+ .1 Ảnh hưởng của pH .2 Ảnh hưởng của khối lượng.3 Ảnh hưởng của nồng độ và thời gian.2 Nghiên cứu sự hấp phụ màu CV .1 Ảnh hưởng của pH .2 Ảnh hưởng của khối lượng.3 Ảnh hưởng của nồng độ và thời gian.4 Các phương pháp phân tích mẫu .1 Quang phổ hồng ngoại .2 Quang phổ tán xạ năng lượng .3 Ảnh hiển vi điện tử quét xạ trường.4 Nhiệt trọng lượng .5 Nhiễu xạ tia X.6 Phổ phát xạ nguyên tử ICP-OES .7 Phân tích diện tích bề mặt hấp phụ.8 Quang phổ UV-Vis .9 Xác định pH ở vị trí đẳng điện tích.

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .1 Tinh bột oxi hóa .1 Phổ hồng ngoại .2 Nhiễu xạ tia X.3 Nhiệt trọng lượng .2 Tinh chế MMT từ nguồn bentonite .3 Vật liệu MMT-tinh bột và MMT-tinh bột oxi hóa .1 Vật liệu MMT-tinh bột .1 Phổ hồng ngoại .2 Nhiễu xạ tia X.3 Ảnh kính hiển vi điện tử, quang phổ tán xạ năng lượng .4 Nhiệt trọng lượng, diện tích bề mặt của vật liệu .2 Vật liệu MMT-tinh bột oxi hóa .1 Phổ hồng ngoại .2 Nhiễu xạ tia X.3 Nhiệt trọng lượng.4 Nghiên cứu sự hấp phụ màu Crystal Violet .1 Ảnh hưởng của pH.2 Ảnh hưởng của nồng độ và thời gian .3 Ảnh hưởng của khối lượng .4 Ảnh hưởng của động học đến quá trình hấp phụ .5 Ảnh hưởng của các mô hình đẳng nhiệt hấp phụ .6 Sự hấp phụ màu CV của MMT, MMT-tinh bột, MMT-tinh bột oxi hoá .5 Nghiên cứu sự hấp phụ các ion Pb2+, Cd2+, Ni2+ lên vật liệu MMT-tinh bột.1 Ảnh hưởng của pH.2 Ảnh hưởng của khối lượng .3 Ảnh hưởng của nồng độ và thời gian .6 Ảnh hưởng của động học đến phản ứng .1 Ảnh hưởng của các mô hình đẳng nhiệt hấp phụ .2 Sự hấp phụ ion Pb2+ trên MMT, MMT-tinh bột, MMT-tinh bột oxi hoá. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. 102 NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN. 102 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ.

119-141 vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt Brunauer Emmett Teller (BET) Phân tích diện tích bề mặt theo BET surface area analysis phương trình BET CV Crystal Violet Màu crystal violet Energy Dispersive X-ray Quang phổ tán sắc năng lượng tia EDS Spectroscopy X EPA Environmental Protection Agency Cơ quan bảo vệ môi trường của Mỹ Glycine/Palygorskite nanohydrid Chất hấp phụ glycine trên nền GLY/PAL absorbents palygorskit Field Emission Scanning Electron Kính hiển vi điện tử quét phát xạ FESEM Microscopy trường Fourier Transform Infrared Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier FTIR Spectroscopy Inductive coupled plasma - Quang phổ phát xạ plasma - ghép ICP-OES optical emission spectroscopy cặp cảm ứng MMT Montmorillonite Montmorillonite pHZPC pH of Zero Point Charge pH ở điểm điện tích không TGA Thermogravimetric Analysis Nhiệt trọng lượng XRD X-ray Diffraction Nhiễu xạ tia X UV-vis Ultraviolet-visible Quang phổ tử ngoại khả kiến viii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1. Sự hấp phụ các loại màu nhuộm trên các loại tinh bột khác nhau. Sự hấp phụ các ion kim loại trên các loại tinh bột khác nhau. Các loại khoáng sét được phân loại do lớp cấu trúc.

Các loại mô hình hấp phụ thường được dùng trong thực nghiệm. Các hóa chất được dùng trong quá trình thực nghiệm. Các thiết bị dùng để phân tích tinh bột, tinh bột oxi hóa, các vật liệu biến tính. Các số sóng, đặc trưng dao động, nhóm chức của tinh bột và tinh bột oxi hóa.

Thành phần hóa học của bentonite ban đầu và MMT tinh chế. Các số sóng, đặc trưng dao động, nhóm chức của MMT, tinh bột, MMT- tinh bột. Các số sóng, đặc trưng dao động, nhóm chức của tinh bột oxi hóa, MMT- tinh bột oxi hóa. Ảnh hưởng khối lượng đến dung lượng và hiệu suất hấp phụ CV.

Các thông số hấp phụ CV trên hai phương trình đẳng nhiệt Langmuir, Freundlich. So sánh dung lượng hấp phụ cực đại của các tác chất trên quá trình hấp phụ CV. So sánh dung lượng hấp phụ CV trên MMT, MMT-tinh bột oxi hóa, MMT- tinh bột. Các thông số xác định điểm đẳng điện tích trên MMT-tinh bột.

Ảnh hưởng khối lượng đến hiệu suất hấp phụ các ion kim loại Pb2+, Cd2+, Ni2+ trên MMT-tinh bột. So sánh mô hình hấp phụ của 4 phương trình động học với các ion kim loại Pb2+, Cd2+,Ni2+ trên MMT-tinh bột. Các thông số của phương trình hấp phụ động học Langmuir, Freundlich, Redlich-Peterson hấp phụ các ion kim loại Pb2+, Cd2+, Ni2+ trên MMT-tinh bột. Ảnh hưởng khả năng hấp phụ của các ion Pb2+, Cd2+, Ni2+ trên các vật liệu hấp phụ khác nhau.

So sánh khả năng hấp phụ của Pb2+ trên MMT, MMT-tinh bột oxi hóa, MMT-tinh bột. 100 x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1. Cấu trúc amylose và amylopectin trong phân tử tinh bột. Quá trình biến tính tinh bột sử dụng hệ phản ứng với áp suất cao.

Quá trình biến tính tinh bột sử dụng phương pháp vi sóng. Cơ chế của quá trình thủy phân tinh bột trong môi trường axít. Các phản ứng tạo liên kết ngang của tinh bột. Các phản ứng este của tinh bột với các tác chất khác nhau.

Quá trình hấp phụ màu đỏ Congo, Crystal Violet và các ion Cu2+, Pb2+, Cd2+ trên vật liệu hydrogel nanocompozit từ tính (a) và vật liệu từ tính này đã được tổng hợp (b). Cơ chế hấp phụ của tinh bột có chứa nhóm amino với các màu acid green 25 (a) và acid orange 7 (b). Các cấu trúc của màu (a) acid red G, (b) acid light yellow 2G, (c) methyl violet, (d) safranine T, (e) methyl green, (f) methylen blue, (g) acid orange 10, (h) acid orange 7, (i) acid orange 52, (j) acid green 25, (k) congo red, (l) acid black 1, (m) acid red 18, (n) acid blue 78, (o) acid blue 25, (p) reactive blue, (q) acid yellow 36 và (r) malachite green. Cơ chế của quá trình loại bỏ ion Cu2+ trên tinh bột dithiocarbamate.

Cấu trúc khoáng sét có cấu trúc 1:1. Cấu trúc khoáng sét có cấu trúc 2:1. Cấu trúc khoáng sét có cấu trúc 2:1:1. Các cấu trúc lớp của tinh thể trong các loại khoáng sét.

Các cấu trúc lớp của Montmorillonite. Sự trao đổi đồng hình (A) và những cạnh của cấu trúc lớp MMT (B). Cơ chế của quá trình biến tính tinh bột với bentonite sử dụng hấp phụ Hg. Sự loại bỏ ion Pb2+ từ nguồn nguyên liệu bã cà phê và sắt từ.

Thành phần hóa học của màu nhuộm CV. Sơ đồ tổng hợp vật liệu carboxymethyl cellulose/chitosan từ tác chất carboxymethyl cellulose và chitosan ban đầu. Quá trình hấp phụ và giải hấp của màu nhuộm xanh metylen và axít da cam (II) tương tác tĩnh điện với vật liệu hấp phụ. Cơ chế của hấp phụ ion Cu2+ trên vật liệu natri alginat/hectorit.