Nghiên cứu bản tổng hợp cacboxyl methyl cellulose

Nghiên cứu bản tổng hợp cacboxyl methyl cellulose

1

NGHIÊN CỨU BÁN TỔNG HỢP CACBOXYL METHYL CELLULOSE

(CMC) HÒA TAN TỪ CELLULOSE THÂN TRE

THE STUDY OF SEMISYNTHESIZE DISSOLVABLE CARBOXYL METHYL

CELLULOSE (CMC) FROM CELLULOSE OF BAMBOO

SVTH: Đào Hồng Thắm

Lớp 08SHH, Khoa Hóa, Trường Đại học Sư phạm, Đại học Đà Nẵng

GVHD: PGS TS Lê Tự Hải

Khoa Hóa, Trường Đại học Sư Phạm, Đại học Đà Nẵng

TÓM TẮT

Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu bán tổng hợp cacboxyl methyl cellulose (CMC) hòa tan từ cellulose được tách từ thân tre Dùng phương pháp sunfat (phương pháp Kraft) để tách cellulose từ thân tre Sau đó, tiến hành tổng hợp CMC từ cellulose tách từ thân tre và natri cloaxetat Qua nghiên cứu đã tìm được điều kiện tối ưu cho quá trình nấu tre để tách cellulose bẳng phương pháp sunfat và điều kiện tối ưu cho quá trình bán tổng hợp CMC hòa tan từ cellulose thân tre CMC sau khi bán tổng hợp được sử dụng để khảo sát khả năng ức chế ăn mòn kim loại

Từ khóa: cacboxyl methyl cellulose; phương pháp sunfat; cellulose thân tre; natri

cloaxetat; ăn mòn kim loại,

ABSTRACT

The paper presents the research results about semisynthesizing dissolvable carboxyl methyl cellulose (CMC) from cellulose is extracted from bamboo Sulfate method (Kraft method) was used to extract cellulose from bamboo Then, synthesize CMC from cellulose is extracted from bamboo and sodium chloroacetate Optimal conditions for the process heating bamboo to extract cellulose by sulfate method and optimal conditions for the process semisynthesizing dissolvable carboxyl methyl cellulose (CMC) from cellulose of bamboo were explored through research Semisynthesized CMC was used to survey ability of inhibition of metal corrosion

Key words: carboxyl methyl cellulose; sulfate method; cellulose from bamboo; sodium

chloroacetate; metal corrosion

1 Đặt vấn đề

Tre có tên khoa học là Bambusa arundinacea, có mặt ở nhiều nơi trên thế giới và ở

khắp các làng quê Việt Nam Trong công nghiệp, tre dùng để sản xuất bột giấy (bột cellulose) Từ bột cellulose, có thể sản xuất giấy hoặc làm nguyên liệu để tổng hợp nhiều loại sản phẩm khác, trong đó có cacboxyl methyl cellulose (CMC) Cacboxyl methyl cellulose là chất được tổng hợp từ alcalicellulose và natri cloaxetat, có nhiều ứng dụng thực tế: làm chất phụ gia trong công nghiệp tẩy rửa, bảo vệ bùn dùng trong khoan mỏ dầu khí, làm tăng độ dẻo cho đất sét, làm chất trao đổi ion, CMC tinh khiết còn được sử dụng trong dược phẩm, mỹ phẩm, thực phẩm Với những lý do trên, chúng tôi chọn đề tài:

“Nghiên cứu bán tổng hợp cacboxyl methyl cellulose (CMC) hòa tan từ cellulose thân tre”

2 Giải quyết vấn đề

2.1 Nguyên liệu

Nguyên liệu thân tre được chặt từ cây tre, cưa nhỏ để chuyển về dạng dăm mảnh, sấy ở 800C đến khô

2.2 Phương pháp nghiên cứu

2.2.1 Nghiên cứu lý thuyết

- Phân tích và tổng hợp lý thuyết: nghiên cứu cơ sở khoa học của đề tài

- Nghiên cứu giáo trình và tài liệu tham khảo có liên quan đến đề tài

- Trao đổi với giáo viên hướng dẫn

- Dùng toán học thống kê để xử lý kết quả

2.2.2 Nghiên cứu thực nghiệm

- Tách cellulose từ thân tre

- Bán tổng hợp cacboxyl methyl cellulose (CMC)

- Xác định cấu trúc của CMC bằng

+ Xác định mức độ thế DS

+ Phương pháp phân tích phổ hồng ngoại (IR)

- Khả năng ức chế ăn mòn kim loại của CMC bằng phương pháp điện hóa

2.3 Sơ đồ nghiên cứu

Quy trình tách cellulose từ thân tre được thực hiện như sau:

Quy trình bán tổng hợp CMC được thực hiện như sau:

Kiềm hóa bằng dung dịch NaOH Bột Cell trắng (cellulose )

Tre khô

Dăm gỗ

Bột Cell thô (còn lignin)

Bột Cell trắng (cellulose)

Xử lý hóa bằng p2

sunfat (Kraft)

Tẩy trắng

3

3 Kết quả và thảo luận

3.1 Tách cellulose

3.1.1 Tách cellulose thô từ thân tre

Khi nấu tre bằng phương pháp sunfat với thời gian nấu 4 giờ, kích thước tre 1 cm, tỉ

lệ NaOH/Na2S = 2 thì hàm lượng lignin còn lại trong tre là thấp nhất với chỉ số Kappa (Kappa là khái niệm cho biết mức độ hòa tan lignin trong quá trình tẩy trắng bột giấy) Theo định nghĩa, chỉ số K là số mililit dung dịch KMnO4 0,1N cần cho phản ứng oxy hóa 1 gam bột khô tuyệt đối) là 2,42x10 = 24,2 Các yếu tố tối ưu được sử dụng để nấu tre theo phương pháp sunfat Sau khi nấu theo phương pháp sunfat, ta thu được cellulose thân tre thô (còn lignin)

3.1.2 Tẩy trắng cellulose

Tiến hành tẩy trắng bột cellulose thô theo quy trình CEHP thu được bột cellulose trắng Sản phẩm cellulose thân tre được phân tích bằng phương pháp phổ hồng ngoại tại phòng thí nghiệm hóa phân tích của trường Đại học Sư phạm Đà Nẵng

Hình 1 Phổ hồng ngoại của cellulose thân tre

3.2 Bán tổng hợp CMC

3.2.1 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ NaOH đến mức độ thế của CMC

Kết quả xác định mức độ thế của các sản phẩm CMC được trình bày trong bảng 1

và hình 2

Bảng 1 Ảnh hưởng của nồng độ NaOH đến mức độ thế của CMC

STT NồNG Độ DD NAOH D (ML) DS

1 15% 2,75 0,680

2 17,5% 2,70 0,699

3 20% 2,83 0,650

4 30% 2,80 0,661

5 40% 2,80 0,661

Hình 2 Ảnh hưởng của nồng độ NaOH đến mức độ thế của CMC

Từ kết quả thu được ở bảng 1 và hình 2, ta thấy kiềm hóa cellulose bằng dung

dịch NaOH 17,5% thì mức độ thế ở CMC là cao nhất

3.2.2 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian kiềm hóa đến mức độ thế của CMC

Kết quả xác định mức độ thế của các sản phẩm CMC được trình bày trong bảng 2

và hình 3

Bảng 2 Ảnh hưởng của thời gian kiềm hóa đến mức độ thế của CMC

Hình 3 Ảnh hưởng của thời gian kiềm hóa đến mức độ thế của CMC

Từ kết quả thu được ở bảng 2 và hình 3, ta thấy kiềm hóa cellulose trong 1 giờ thì

mức độ thế ở CMC là cao nhất

STT THờI GIAN KIềM HÓA

(T 1 )

D (ML)

DS

1 1 GIờ 2,70 0,699

2 2 GIờ 2,80 0,661

3 3 GIờ 2,80 0,661

4 4 GIờ 2,85 0,643

5 5 GIờ 2,95 0,606

5

Bảng 3 Ảnh hưởng của tỉ lệ mol ClCH 2 COONa/cellulose đến mức độ thế của CMC

Hình 4 Ảnh hưởng của tỉ lệ mol ClCH 2 COONa/cellulose đến mức độ thế của CMC

Từ kết quả thu được ở bảng 3 và hình 4, ta thấy bán tổng hợp CMC với tỉ lệ mol

ClCH 2 COONa/cellulose bằng 2:1 thì mức độ thế ở CMC là cao nhất

3.2.4 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian cacboxyl hóa đến mức độ thế của CMC

Kết quả xác định mức độ thế của các sản phẩm CMC được trình bày trong bảng 4

và hình 5

Bảng 4 Ảnh hưởng của thời gian cacboxyl hóa đến mức độ thế của CMC

STT

KHốI LƯợNG CLCH 2 COONA (M)

(Tỉ Lệ MOL CLCH 2 COONA/CELLULOSE)

D (ML) DS

1 3,6 GAM (1 : 1) 3,20 0,519

2 5,4 GAM (1,5 : 1) 2,78 0,668

3 7,2 GAM (2 : 1) 2,70 0,699

4 9,0 GAM (2,5 : 1) 2,85 0,643

5 10,8 GAM (3 : 1) 2,88 0,632

STT THờI GIAN CACBOXYL

HÓA (T 2 ) D (ML) DS

1 1 GIờ 2,88 0,632

2 2 GIờ 2,70 0,699

3 3 GIờ 2,80 0,661

4 4 GIờ 2,80 0,661

Hình 5 Ảnh hưởng của thời gian cacboxyl hóa đến mức độ thế của CMC

Từ kết quả thu được ở bảng 3.4 và hình 3.5, ta thấy thời gian cacboxyl methyl hóa

bằng 2 giờ thì mức độ thế ở CMC là cao nhất

Điều kiện tối ưu cho quá trình bán tổng hợp CMC từ cellulose thân tre là: kiềm hóa với dung dịch NaOH 17,5% trong 1 giờ và cacboxyl methyl hóa với tỉ lệ mol ClCH 2 COONa/cellulose = 2 : 1 trong thời gian 2 giờ

Với điều kiện này thì thu được CMC với DS = 0,699

Chúng tôi sử dụng điều kiện tối ưu cho quá trình bán tổng hợp CMC từ cellulose thân tre để bán tổng hợp CMC

Hình 6 Phổ hồng ngoại của CMC bán tổng hợp từ cellulose thân tre

3.3 Khảo sát khả năng ức chế ăn mòn kim loại của CMC

3.3.1 Ảnh hưởng của thời gian ngâm thép trong dung dịch CMC đến tính chất ức chế ăn mòn

Điện cực thép CT3 được ngâm trong dung dịch CMC 30 mg/l với các thời gian là 5 phút, 10 phút, 20 phút, 30 phút Sau đó tiến hành đo đường cong phân cực của thép CT3

trong dung dịch NaCl 3,5% Kết quả được trình bày ở bảng 5 và hình 7

7

5 18.4135 3.54E-01 12.12

10 18.9704 3.44E-01 14.70

20 25.4297 2.56E-01 36.36

30 21.8095 2.99E-01 25.80

Hình 7 Đường cong phân cực của thép trong dung dịch NaCl 3,5% với thời gian ngâm thép trong dung dịch

CMC 30 mg/l là 0 phút, 5 phút, 10 phút, 20 phút, 30 phút

Từ bảng 5 và hình 7, ta thấy CMC có tính chất ức chế ăn mòn thép CT3 trong

dung dịch NaCl 3,5% và thời gian ngâm thép tối ưu trong dung dịch CMC là 20 phút

3.3.2 Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch CMC đến tính chất ức chế ăn mòn kim loại

Tiến hành ngâm thép trong dung dịch CMC với các nồng độ 20 mg/l, 30 mg/l, 40 mg/l, 50 mg/l, 60 mg/l, 70 mg/l với thời gian 20 phút và đo đường cong phân cực thép CT3 trong dung dịch NaCl 3,5% Kết quả thu được trình bày ở bảng 6 và hình 8

Bảng 6 Giá trị điện trở phân cực (R p ), dòng ăn mòn (i corr ) và hiệu quả ức chế Z (%) theo nồng độ dung dịch

CMC với thời gian ngâm 20 phút

NồNG Độ CMC

(MG/L)

R P (OHM) I CORR (MA/CM 2 ) Z (%)

20 20.3202 3.21E-01 20.36

30 25.4297 2.56E-01 36.36

40 27.9392 2.33E-01 42.08

50 29.6823 2.20E-01 45.48

60 33.1918 1.97E-01 51.25

70 32.7663 1.99E-01 50.61

Hình 8 Đường cong phân cực của thép trong dung dịch NaCl 3,5% với thời gian ngâm thép là 20 phút trong

dung dịch CMC 20 mg/l, 30 mg/l, 40 mg/l, 50 mg/l, 60 mg/l, 70 mg/l

Từ bảng 6 và hình 8, ta thấy nồng độ dung dịch CMC càng tăng thì hiệu quả ức chế

càng cao và ứng với nồng độ dung dịch CMC là 60 mg/l thì hiệu quả ức chế ăn mòn

cao nhất và đạt 51,25%

4 Kết luận

1 Đã tìm được điều kiện tối ưu cho quá trình nấu tre bằng phương pháp sunfat là:

- Kích thước nguyên liệu: 1cm

- Tỉ lệ tác chất nấu NaOH/Na2S = 2

- Nhiệt độ: 1550C (nhiệt độ sôi của hỗn hợp)

- Thời gian nấu: 4 giờ

Với điều kiện này thì lượng lignin còn lại trong tre sau khi nấu là thấp nhất với chỉ

số Kappa là 24,2

2 Kết quả phân tích phổ hồng ngoại của cellulose thân tre chứng tỏ đây là anpha – cellulose, phù hợp với các số liệu đã được công bố

3 Đã tìm được điều kiện tối ưu cho quá trình bán tổng hợp cacboxyl methyl cellulose hòa tan từ cellulose thân tre là:

- Nồng độ dung dịch NaOH dùng để kiềm hóa là 17,5%

- Thời gian kiềm hóa: 1 giờ

- Tỉ lệ mol ClCH2COONa/cellulose = 2:1

- Thời gian cacboxyl metyl hóa: 2 giờ

Với điều kiện này thì thu được CMC hòa tan với mức độ thế là 0,699

4 Kết quả phân tích phổ hồng ngoại của CMC bán tổng hợp từ cellulose thân

9

3,5% là cao nhất và đạt 51,25%

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Nguyễn Thị Ngọc Bích (2003), Kỹ thuật xenlulô và giấy, NXB Đại học quốc gia Tp

Hồ Chí Minh

[2] Phan Lương Cầm (1985), Ăn mòn và bảo vệ kim loại, Đại học Kỹ thuật Delf, Hà Lan [3] Lê Tự Hải (2003), Giáo trình điện hóa học, ĐH Sư phạm Huế

[4] Hồ Sĩ Tráng (2006), Cơ sở hóa học gỗ và xenluloza (tập 1,2), NXB Khoa học và Kỹ

thuật

[5] Nguyễn Minh Tuyển, Quy hoạch thực nghiệm, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội [6] Bamboo, http://en.wikipedia.org/wiki/Bamboo

[7] CMC knowledge, http://www.lihong.net/en/RD/PACCMCknowledge/ CMCknowledge/tabid/138/Default.aspx

[8] Bono, A., Ying, P H., Yan, F Y., Muei, C L., Sarbatly, R., Krisnaiah, D (2009),

Synthesis and Characterization of Cacboxylmethyl Cellulose from Palm Kernel cake,

Advances in Natural and Applied Sciences, 3(1): 5-11