Thực nghiệm Copolyacrylamit và khảo sát ứng dụng trong chống xói mòn đất nông nghiệp

Thực nghiệm Copolyacrylamit và khảo sát ứng dụng trong chống xói mòn đất nông nghiệp

27 Ctước nghiệm

28 Shue nghiém

2.1 Nguyên liệu, phương pháp tổng hợp các poÌyme

2.1.1 Hóa chất, dụng cụ, thiết bị

Hóa chất:

- Axit acrylic(Hóa chất tỉnh khiết Trung Quốc)

- Acrylamit ( Hóa chất tính khiết - Mer)

- EDTA ( tác nhân chelat hóa)

- Dung dịch NH¿ 28% (Hóa chất tỉnh khiết Trung Quốc)

- Chat khoi mao: Kali persunfat; amoni persunfat; benzoyl; 2,2’azobis (2- amidinopropane) dihydro clorua; natri bisunfit

- M6t s6 mudi NaCl, (NH,4).SO,4, Na2SO4, CaCl,

- Chat hoat déng bé mat NP ~ 9 (nonyl] phenyl - tạo bể mặt không ion)

- Dau parafin

- Glyxerin

- Nuéc cat, khi No

- Dat min (Dat cát pha - trồng rau ở Gò Vấp Tp Hồ Chí Minh) và đất đồi (đất nâu vàng - đất thịt nặng ở vùng Long Thành Đồng Nai) được lấy dưới bể mặt

10-20 cm

Thành phần cơ giới đất sử dụng làm thí nghiệm

(2-0,02mm) (0,02-0,002mm) |_ (< 0,002 mm) Đất mùn (Gò Vấp ) 55 - 85% 30 - 45% 0 - 15% Đất đổi (Long Thành) 30 - 35% 20 - 45% 15 -25%

Dụng cụ

- Bình cầu ba cổ chịu nhiệt 250ml, 500ml (Pyrex)

- Ong nhỏ giọt, đũa thủy tỉnh, erlen thủy tính

29 Shure ughiém

Thiét bi

- Xylanh nhựa 5ml, 10ml

- Máy khuấy từ có gia nhiệt: OMNILAB

- Tủ sấy chân không OV-01

- Cân phân tích điện tử 4 số lẻ: PRECISA XB 220A.e3

Hình 2.1 Thiết bị thí nghiệm

1: Máy khuấy từ có gia nhiệt

- 2; Bình cầu 3 cổ

3 : Bóng chứa khí Nitơ 4: Xi lanh bơm chất khơi mào 5: Ống nhỏ giọt

30 Shute aghibue

3.1.2 Phương pháp trùng hợp polyme "L9

Quá trình tổng hợp polyme là một chuỗi các công đoạn liên tục và phức tạp Mỗi phản ứng có đặc điểm riêng nhưng nhìn chung có công đoạn chính như san:

- Gia nhập nguyên liệu và các hóa chất cần thiết

- Gia nhiệt đến nhiệt độ phần ứng

- Tiến hành tổng hợp

- Loại bỏ phần dư ( các monome chưa phần ứng )

- Lam nguội phản ứng

- Xuất liệu

Trong quá trình phản ứng thì việc kiểm soát nhiệt độ giữ một vai trò rất

quan trọng đối với các phản ứng có hiệu ứng nhiệt lớn, đặc biệt trong các thiết bị

phán ứng lớn Thông thường các qui trình tổng hợp bán liên tục hoặc liên tục thì thuận lợi về mặt gia nhiệt, không có hiện tượng đoạn nhiệt Thời gian lưu (thời gian phản ứng tổng hợp) có ảnh hướng đến các tính chất sản phẩm như:

- Độ đa phân tấn

- Khối lượng phân tử trung bình

- Thành phần và cấu hình của polyme hình thành

Đặc biệt thời gian lưu Ảnh hưởng đến các tính chất quang học (PS, PMMA)

Ngoài ra thiết bị phân ứng cũng là một yếu tố ảnh hưởng quan trọng đến quá trình phần ứng như: hình dang bình phần ứng, hệ thống khuấy trộn Các polyme

nghiên cứu được trùng hợp từ các monome là dẫn xuất vinyl với các xúc tác khơi

mào cơ chế gốc dây chuyển Tiến hành tổng hợp theo hai phương pháp chính sau:

- Tring hop dung dich: dùng dụng môi có khả năng hòa tan monome và

polyme cùng lúc (ở đây là HạO) Tổng hợp có gia nhiệt và khuấy trộn, hỗn hợp

dễ dàng kiểm soát Giới hạn của phương pháp là không kinh tế do phải thu hỗi dụng môi, khối lượng phân tử polyme thấp và khó làm khô sản phẩm

-Quuậm ciất (hạ 3

31 Vhực na

- Trùng hợp nhũ tướng: monome phân tấn trong môi trường liên tục Giọt rất nhỏ kích thước từ 0,05-5nm Phương pháp này phân biệt với phương pháp

huyền phù chủ yếu do nồng độ chất nhũ hóa lớn (khoảng 10 lần hơn) và chất khơi

mào thì phân tấn trong pha liên tục (pha nước) Phần ứng xây ra trên bể mặt hạt mixen,

Các chất nhũ hóa sử dụng thường là các loại xà phòng như oleat, pannuitat,

laurat kim loại kiểm, muối natri của các sunfo axit thơm Chất nhũ hóa bao quanh

môi trường hydrocacbon tạo thành múxen (gốc phân cực đưa ra ngoài pha nước), tạo ra hệ bến vững dù không khuấy trộn, các hạt nhỏ, phần ứng xảy ra nhanh, Phương pháp này thường tạo ra các latex tổng hợp

2.1.3 Đánh giá khối lượng phân tử polyme

Việc xác định KLPT trung bình của aPAM một cách chính xác Ở trong nước

hấu như khó thực hiện được Do đó, chúng tôi đã tiến hành theo một patent của

Mỹ (No 5,530,069) đo độ nhớt động hoc va ứng với các giá trị trong tài liệu Dựa trên nguyên tắc polyrne có KLPT càng lớn thì độ nhớt càng cao Ở đây người ta đưa ra các khái niệm sau:

Dé nhét khéi ( Bulk viscosity~ BV) 14 gia ti d6 nhớt động học được đo bằng

nhớt kế Brooklied LVT với trục quay thích hợp (spindle #4 tại 30 rpm (vòng /phútvà 30°C) Giá trị độ nhớt được đo bang centipois (cps)

Độ nhới chuẩn ( Standard Viscosity- SV) là độ nhớt động học của dung

dịch polyme nỗng độ 0,1% trong NaCl 1M 6 30°C Độ nhớt dược do bằng nhớt kế

BrookBed LVT với UL adapter tại 60 rpm (vòng /phút) Giá trị độ nhớt được đo

bằng centipois (cps)

Dung dịch polyme được chuẩn bị bằng cách pha từ polyme hoặc dung dich

để được dung dịch có nồng độ 0,2% khuấy với lượng nước thích hợp trong L2 giờ

Luin oda thee a

32 Chực nghệ Hé

sau đó pha loãng với lượng nước và muối NaCl thích hợp Khi SV có giá trị lớn

hơn 10 thì độ nhớt được xác định với tốc độ 30 rpm và nhân thêm hệ số 1,7 lần

Độ nhớt đặc trưng (nưinsic Viscosity-TV) được đo bằng thời gian chảy qua nhớt kế mao quản Canon-Ubbelohde với các nống độ khác nhau như 100, 250

500 va 1000 ppm trong dung NaCl 1M ở 20C, ti số trượt nằm trong khoảng từ 50

-1000 sec”, Số liệu thu được lập phương trình hồi qui tuyến tính để ngoại suy tới

tỉ số trượt bằng Ó và nông độ polyme bằng 0 Giá trị tính toán thu được là độ nhớt

đặc trưng của polyme,

Mối quan hệ giữa độ nhớt đặc trưng mô tả ở n,Ì

trên và KLPT polyme được biểu diễn bằng công

thức: TV = 0,000373 (Mwy

i

-

\0,000373 >

Khối lượng phân tử (Mw) của PAM có thể được xác định bằng phương pháp

đo độ nhới chuẩn (SV) hay độ nhớt đặc trưng (1V) Trong đó, giá trị SV đo tương đối dễ hơn so với cách đo để thu được giá trị IV Tuy nhiên, giá trị SV cũng tương

quan với giá trị IV đối với các polyme riêng biệt Do đó, khối lượng phân tử

polyme có thể tính xấp xi bằng cách tham khảo các giá trị SV của polyme

Như vậy giá trị SV của polyme lớn hơn thì khối lượng phân tử của nó cũng

122i

lớn hơn Các giá trị gần đúng đã xác định dưới đây của tài liệu

SV 4dmPas = IV 1Sd¥g = MW ¡0000.000

SV ãmPas = IV 25d⁄g = MW 20.000.000

SV 6mPas = IV 29,7 dig = MW 26.000.000

SV 6,5mPas = IV 30/7dUg = MW 28.000.000

SỰ 7mPas = IV32d⁄g = MW 30.000.000

SV 10.9 mPas = IV 50di/g = MW 60.000.000

Lute odie thae

33 Flute aghiger

2.1.4 Tình chế polyme trùng hợp nhũ tương

Nhằm hạn chế lượng tổn dự của các monome, đặc biệt là acrylamit như các tài liệu để cập ở trên, Hàm lượng của monome acrylamit trong polyme phải <

0,05% mới được sử dụng trong thực tế, Việc xác định hầm lượng monome tổn dự không đơn giản Cho nên chúng tôi cho kết tủa polyme trong axeton (rửa latex

bang axeton) Sd dé bén cho phép tinh

dd.monome, pha dau

chế copolyme sản phẩm Có trường |

Nhũ tương polyme

tách lớp dầu, nước Khi đó lấy pha

nước đem kết tủa bằng axeton Polyme Rửa với axeton

sẽ kết tủa Rứa nhiều lần, có thể ngâm

vài giờ Sau đem sấy khô polyme thu ¥

Như vậy theo qui trình trên sau khi tỉnh chế polyme thu được sẽ có lượng tổn

dư của monome acrylamit là không đáng kể Trong thực tế, khi tổng hợp aPAM theo qui trình trên thì copolyme sau khi trùng hợp để qua đêm sẽ tách pha Pha dầu chứa chất hoạt động bể mặt ở trên có thể dùng tiếp cho phản ứng sau, Pha

nước chuyển sang đạng latex giống như miếng cao su mềm, trong hoặc trắng đục

rất dai Kéo sợi mảnh như tơ và hòa tan hoàn toàn nhưng rất chậm trong nước Có

thể sấy khô sản phẩm này và dùng trực tiếp Tuy nhiên, hòa vào nước sẽ có bọt

do còn lẫn chất hoạt động bể mặt Và chúng tôi hiện chưa đánh giá được lượng

tổn dự của monome acrylamit trong latex thu được, nên rửa sản phẩm trong

axeton Song hiệu suất thực sự của phản ứng đồng trùng hợp là rất cao

"Thâm căn thực sẽ Dao Khée Thao

34 Shite nghiện

2.2 Téng hgp polyacrylic (PAA)

Chúng tôi sử dụng phương pháp trùng hợp dung dịch do axit acrylic tan trong

nước Với sự có mặt của muối điện li làm giảm độ nhớt của quá trình và thực hiện

trong môi trường khí trơ

Lấy 20 gram axit acrylic; thêm vào 64 g nước cất; 8 gram Na;SOx;14 gram (NH.);SO¿ ; 2 gram glycerin, 0,9 gram NaOH 50% và 1 ml EDTA 5% ( tác nhân

chelat hóa) vào bình phản ứng ba cổ có khuấy từ pH của dung dich dem phan

ứng là 4,5 Đuổi không khí bằng khí Nạ, tăng nhiệt độ bình lên 60°C Sau 30 phút cho 20 mg K;SzOy¿ (1% khối lượng monome) vào và thực hiện phan ting trong 5h Sản phẩm thu được dạng dung dịch trong suốt, hơi nhớt Đem sấy khô (60°C) thì thu được chất rắn dạng cao su màu trắng đục Đo phổ IR của sản phẩm thu được

2.3 Tổng hợp polyacrylamit (non PAM)

Chúng tôi cũng sử dụng phương pháp trùng hợp dung dịch do acrylamit tan tốt trong nước Có thể thêm muối điện li để làm giảm độ nhớt của quá trình và thực hiện trong môi trường khí trơ

Cho 11,3 gram acrylamit, 94 mi HạO và 0,05g EDTA (tác nhân chelat hóa) vào một bình 3 cổ (250 ml) gắn khuấy từ Dùng khí N; đuổi không khí ra khỏi

bình, đun nóng hỗn hợp ở 60°C và khuấy đều Sau 30 phút khuấy, bơm 2 ml dung

dịch chứa 11 mg KzŠ;O; (1% khối lượng monome) và l ml dung dịch Na;S;O;

5% natri bisunfit) vao binh Duy tri phan ting 6 60°C trong 5h

Nồng độ monome là 10% Khối lượng xúc tác là 1% so vơi khối lượng

monome Sản phẩm thu được dạng dung dịch trong suốt, hơi nhớt Sấy khô (60°C)

thu được polyme trong suốt, rắn Đem đo phổ IR

35 Cực nghiệm

2.4 Tổng hợp anionnic polyacrylamit (aPAM)

2.4.1 Thủy phân polyacrylamii trong môi trường kiểm

Có thể tổng hợp aPAM bằng cách thủy phân nonionic polyacrylamit trong môi trường kiểm Khi đó, một số nhóm -CONH;¿ chuyển thành nhóm CO", lầm cho polyme tích điện âm,

Thực hiện tương tự như thí nghiệm trên Cho 15,62 gram acrylamut (0,22 mol), 59,5 mi HạO và 0,05g EDTA vào thiết bình 3 cổ (loại 250 mÌ) gắn khuấy từ

Dùng khí N;¿ đuổi không khí ra khỏi bình, đun nóng hỗn hợp ở 60 °C, khuấy đều

Sau 30 phút khuấy, bơm 2 mì dung dịch chứa l6mg KaS¿O¿ ở ó0 “C và Ì ml dung dịch Na;SzOs 5%( natri bisunfñi0 vào bình Duy trì phản ứng 6 60 °C trong 5h

Nông độ monome là 20% Khối lượng xúc tác là 1% so với khối lượng monome

Sau đó thêm vào một lượng dung dich NaOH 50% đủ thủy phan 10, 20, 30

và 40% polyacrylamit (theo tỉ lệ mol) để thu được polyacrylamit có độ anionic

trung bình Khuấy đều hỗn hợp trong 10 phút, dừng phần ứng, Đem sấy khô san

phẩm, thu được polyme trong suốt, đai và tan chậm trong nước, cho dung dich nhớt Đo độ nhớt BV của sản phẩm

2.4.2 Thủy phân polyacrylamit latex trong môi trường kiểm

Trước tiên chúng tôi tổng hợp polyacrylamil bằng phương pháp trùng hợp nhõ tương, nhằm thu được PAM có khối lượng phân tử lớn hơn so với phương pháp trùng hợp dung dịch Sau đó đem thủy phân polyme thu được trong môi trường kiểm

Thí nghiệm: Cho vào binh 3 cổ pha dầu chứa 30 g paran lỏng, 3 gram chất hoạt động bể mặt, pha nước gồm: 15 gram acrylamit, 45 gram nước cất và 0,05 g

EDTA Đuổi không khí trong bình bằng khí N; Khuấy đều hỗn hợp 6 60 °C trong

3Q phút Sau d6 bom iml dung dịch chứa 15mg chất xúc tác 2,2’azobis (2-

(Đào “Khác Chúa Luts căn tae sh

36 Shue ughiém

amidinopropan) dihydro clorua (néng 46 1% so véi khéi lugng monome) va | ml dung dịch Na;SzOs 5% Duy trì phản ứng trong 5h Sau đó thêm vào một lượng dung dịch NaOH 50% đủ thủy phân 10, 20, 30 và 40% polyacrylamit latex (theo

tỉ lệ mol) và thu được polyacrylamit có độ anionic trung bình Theo phần tổng

quan mật độ điện tích của polyme giới hạn bằng phần trăm số nhóm acrylamit bị

thủy phân và các polyme có độ anionic trung bình (10 - 40%) cho ứng dụng tốt hơn so với non PAM hay aPAM có độ điện tích âm cao Sản phẩm thu được có

dạng latex rất nhớt, tan chậm trong nước Đem tinh chế bằng axeton và xác định

độ nhớt SV, phổ IR của sản phẩm

2.4.3 Đồng trùng hợp dung dịch của axit acrylie và acrylamit (aPAM)

Để tổng hợp aPAM từ phản ứng đồng trùng hợp của axit acrylic và acrylamit chúng tôi cũng tiến hành theo phương pháp trùng hợp dung dịch trước Sau đó

tiến hành đo độ nhớt theo tài liệu phần tổng quan hướng dẫn để ngoại suy ra khối

lượng phân tử

Thí nghiệm: Cho vào bình phản ứng 3 cổ loại 250 ml có gắn khuấy từ 122,7 gram nước cất, 9,94 gram acrylamit (0,14 mol) 4,32 gram axit acrylic tinh khiét (0,06 mol) va 2,6 ml dung dich NH; 28% 1ml dung dich EDTA 5% (tác nhân chelat hóa) Chỉnh pH dung dịch trong khoảng 5-8 Đuổi không khí trong bình bằng khí Nạ, tăng nhiệt độ bình lên 60 °C Sau 30 phút tiêm vào bình Iml nước cất chứa 10 mg 2,2°Azobis (2-amidinopropane) dihydro clorua (bằng 1% khối lượng so với monome) và | ml Na;SzO; 5% Phản ứng kéo dài 5h ở nhiệt độ 60°C San phẩm đạng dung dịch nhớt, trong suốt chứa 10% của copolyme 30/70 (ti 16 sé mol cia axit acrylic va acrylamit) Dem do d6 nhot BV, đồng thời tĩnh

chế và sấy khô sản phẩm thu được rồi tiến hành đo độ nhớt SV

Latin van thae si Dao Khie Thao