Kết quả và biện luận Copolyacrylamit và khảo sát ứng dụng trong chống xói mòn đất nông nghiệp

Kết quả và biện luận Copolyacrylamit và khảo sát ứng dụng trong chống xói mòn đất nông nghiệp

4] Ket qua & bién luan

Chương III KẾT QUA & BIEN LUẬN

42 ŠXết quả & biện luậuc

3.1 Các polyme trùng hợp dung dịch

3.1.1 Cấu trúc của polyme (PAA, non PAM, aPAM)

Bảng 3.1: Phổ IR của các polyme: PAA, non PAM, aPAM thu được bằng

phương pháp trùng hợp dung dịch

aPAM là polyme không nhánh, có sự phân bố ngẫu nghiên của các đơn vị

acrylamit và axit acrylic nên trong phân tử có các nhóm —OH, -CONH;, -COO'

Dựa trên phổ IR ta thấy có các mũi hấp thu đặc trưng -OH, -C-O, -CONH; trong

copolyme tổng hợp (aPAM) so với các homopolyme Chứng tổ đã có sự đồng trùng hợp giữa hai monome là acrylamit và axit acrylic trong dung dịch Không

thấy các mũi hấp thu đặc trưng cho nối đôi của monome

3.1.2 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhớt polyme

Các polyme tổng hợp có độ nhớt liên quan chặt chẽ với khối lượng phân tử của nó, KLPT càng cao thì độ nhớt dung dịch polyme càng lớn Do đó, chúng tôi

khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng đồng trùng hợp tác động lên độ nhớt của dung dịch polyme thu được để đánh giá khối lượng phân tử của vật liệu tổng hợp được

3.1.2.1 Ảnh hưởng của chất khơi mào

Để khảo sát ảnh hưởng của các chất khơi mào khác nhau cho phản ứng đồng

trùng hợp, chúng tôi thay đổi các loại xúc tác khơi mào để thực hién phan tng,

Tain oan the i Dao Khie Thao

43 Két qua & bién luan

với khối lượng xúc tác cùng bằng 1% so với khối lượng của monome Kết quả thu được các dung dịch trong suốt, hơi nhớt, tan tốt trong nước Đem đo độ nhớt BV của các dung dịch polyme thu được Kết quả như bảng dưới:

Bảng 3.2: Độ nhớt BV của một số copolyme với các xúc tác khác nhau

Như vậy, xúc tác 2,2°azobis có khả năng cho khối lượng phân tử copolyme

lớn hơn cả Do loại xúc tác này tạo ra các gốc có đời sống dài hơn so với các xúc

tác khác Các phản ứng về sau được thực hiện với loại xúc tác này

3.1.2.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ

Để khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng lên độ nhớt (khối lượng phân tử) copolyme chúng tôi tiến hành các phản ứng trùng hợp ở các nhiệt độ khác nhau véi xtic tac 2,2’azobis Kết quả độ nhớt BV của các dung dịch copolyme thu được như sau:

44 Ket qua & biệu (uậu

Bảng 3.3: Độ nhớt BV của một số copolyme ở các nhiệt độ pư khác nhau

3.1.2.3 Ảnh hưởng của độ pH

Giữ nguyên các thành phần khác, chỉ thay đổi lượng dung dịch NHạ để thay

monone là 10% Phản ứng tiến hành ở nhiệt độ phòng Kết quả thu được

Bảng 3.4: Độ nhớt BV của các coplyme khi thay đổi pH dung dịch:

45 Ket qua & bién luan

Kết quả cho thấy trong khoảng pH khảo sát, phản ứng tổng hợp apAM có

khoảng pH thích hợp là 7-8 tức là môi trường trung tính hoặc bazơ nhẹ Bởi vì độ

pH thấp phần lớn các vị trí anionic là các proton và phân tử mang điện tích hiệu dụng thấp hơn do đó polyme có xu hướng cuộn chặt làm cho mạch polyme khó

kéo dài Còn pH quá cao sẽ tăng số nhóm mang điện âm, đẩy nhau làm cho độ

nhớt dung địch tăng lên hạn cũng giới hạn sự phát triển mạch Các phản ứng điều chế sau này chúng tôi sẽ thực hiện ở pH = 7 (trung tính) để hạn chế sự thủy phân

sản phẩm

3.1.2.4 Ảnh hưởng của tỉ lệ momome (AA/AMD)

Để khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ mol hai monome thành phần chúng tôi làm

các thí nghiệm trong đó tỉ lệ mol các momome thay đổi theo các tỉ lệ (10/90; 20/80 50/50) Néng độ phần trăm của dung dịch là 10%, giữ nguyên các thành

46 ‹Xết quá & biện luậrt

các tài liệu nghiên cứu thì aPAM có độ anionic trung bình tốt hơn Và khoảng

30% thì rất tốt cho loại đất giàu các ion hóa trị IL!'°Ì Kết quả trên cũng chỉ ra ti

lệ AA/AMD là 30/70 cho copolyme có độ nhớt trung bình Do đó, chúng tôi cũng

chọn tỉ lệ AA/AMD là 30/70 để tổng hợp các aPAM có độ anionic 30% để sử dụng cho các mục đích sau của để tài Điều này cũng phù hợp với một số công bố

trước đây (19)

Nhận xét: Nói chung, khi thực hiện trùng hợp dung dịch chúng tôi thu được sản phẩm là các dung dịch polyme có nồng độ các monome là ¡0% mà dung dịch

cảm giác loãng, độ nhớt BV, IV đều thấp, còn độ nhớt SV hơn nước không đáng

kể Chứng tỏ khối lượng phân tử copolyme thấp

Đồng thời hệ xúc tác oxi hóa - khử persulfat-metabisunfit là không thích hợp

để trùng hợp polyme có khối lượng phân tử lớn Do đó chúng tôi sử dụng phương

pháp trùng hợp nhũ tương để tổng hợp aPAM

47 “XếI quả & biện luda

Đối với anion PAM thu được do thủy phân polyacrylamit trùng hợp dung dịch bằng NaOH thì độ nhớt BV bằng 37,7 (cp) Kết qúa cho thấy khối lượng phân tử cũng thấp

Lặp lại một số thí nghiệm trên nhưng trong dung dịch muối điện li Chúng tôi dùng mudi (NH4).SO4 va Na2SO, ham lượng khoảng 20% Kết quả dung dịch

dường như đặc lại Sau một thời gian độ nhớt của hệ thống tăng lên đến mức không thể khuấy được Ở nhiệt độ cao, pH cao phản ứng cũng xảy ra nhanh

chóng Tuy nhiên, tất cả các polyme thu được cũng có độ nhớt SV không lớn

Chứng tỏ khối lượng phân tử không cao

3.2 Các copolyme trùng hợp nhõ tương

Ket quả & biên luận

3.2.1 Cấu trúc của polyme (aPAM, non PAM latex)

Cả hai đều xuất hiện các mỗi hấp thụ đặc trưng cho các nhóm chức của phân

tử aPAM Không còn các mũi hấp thụ đặc trưng của nối đôi C = C của monome

Chứng tổ đã có sự trùng hợp hình thành đáng kể các polyme tương ứng

hoặc NH,”

Phổ CỦ NMR của copolyme trùng hợp nhũ tương: các pic ö = 154,64 ppm

và ô = 184,11 ppm của nguyên tử cacbon nhóm ~ COOH ( pic ö = 184,64 ppm

ứng với sự tổn tại của -COO) Pic õ = 181,77 ppm của nguyên tử cacbon nhóm — CONH¿, Và pic ö = 47-37 ppm của nhóm -CH - CH¿- hình thành trong quá trình polyme hóa Không còn chứa nguyên tử cacbon nối đôi (C - sp”) Tương tự như

phổ chuẩn trong tài liệu tham khảo

Phổ H! ~ NMR của copolyme trùng hợp nhũ tương: plc 6 = 4,78 — 4,62 ppm

của H nhóm — NH2, con cdc pic $= 4,01-3,91 ppm của H nhóm -OH tạo liên kết

hidro Các pic ö = 2,05-1,76 ppm của H nhóm ~CH¡—, các pic ö = 2,60 - 2,42 ppm

49 Ket qua & biéu luan

của H nhóm —CH- kể -C=O Phổ của copolyme thu được cũng tương tự như phổ chuẩn trong tài liệu tham khảo

Qua các phổ IR, H'-NMR, C”-NMR có thể khẳng định aPAM tổng hợp là

copolyme trùng hợp ngẫu nhiên của acrylamit và axit acrylic Va hàm lượng

monome tổn dư là không đáng kể

3.2.2 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng lên độ nhớt của copolyme

Các dung dịch polyme trùng hợp nhũ tương thu được thường dưới dạng latex

nên không xác định được độ nhớt BV Copolyme sau khi tinh chế tan rất chậm trong nước, với nông độ rất thấp trong nước đã thu được dung dịch có độ nhớt cao

Dung dịch cũng có độ nhớt cao hơn rất nhiều so với dung dịch copolyme cùng nồng độ trùng hợp trong dung dịch Do đó, chúng tôi đo độ nhớt SV Sau đó so

sánh với các giá trị đã xác định của tài liệu tham khảo để ước lượng KLPT trung bình của polyme thu được

3.2.2.1 Ảnh hưởng của chất khơi mào

Để khảo sát ảnh hưởng của chất khơi mào phản ứng lên độ nhớt SV của

polyme tức khối lượng phân tử polyme, chúng tôi thực hiện các phản ứng với các chất khơi mào khác nhau, cùng bằng 1% khối lượng monome Kết quả với các xúc tác muối peoxit, benzoyl thu được nhũ tương đồng thể như hồ nhão mau trắng, rất nhớt Còn với xúc tác 2,2'azobis để qua đêm thu được sản phẩm tách lớp Trên là lớp dầu, lớp dưới là latex chứa copolyme Tĩnh chế các sản phẩm thu được bằng axeton Sấy khô sản phẩm thu được Tiến hành đo độ nhớt SV của các copolyme thu được Kết quả như bằng sau:

50 Ket qua & bién luận

Xtic tac 2,2’azobis cho mach dai hon ca, diéu nay có thể giải thích do thời

gian sống của gốc họ azo dài hơn Chúng tôi sử dụng xúc tác này để tiến hành các

phản ứng trùng hợp sau

3.2.2.2 Ảnh hưởng của lượng chất khơi mào

Để khảo sát ảnh hưởng của lượng chất khơi mào chúng tôi chọn chất khơi mào có SV của copolyme lớn nhất là 2,2°azobis Thực hiện các thí nghiệm như

thí nghiệm đầu với phần trăm khối lượng chất khơi mào so với khối lượng

monome thay đổi Sản phẩm thu được đểu dưới dạng latex Tinh chế và đo độ

nhớt SV của chúng Kết quả như sau:

Bảng 3.8: Độ nhớt SV của các copolyme với hàm lượng xúc tác khác nhau

51 Ket qua & biéu luau

3.2.2.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ

Để khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ phần ứng chúng tôi thực hiện các thí nghiệm với chất khơi mao 2,2’azobis 1% so với khối lượng monome trong các

nhiệt độ khác nhau Đem đo độ nhớt SV của các sản phẩm thu được Kết quả thu được như bảng dưới:

Bảng 3.9: Độ nhớt SV của các copolyme khi nhiệt độ phần ứng thay đổi

32 Két qua & bién ludn

Nói chung, trong khoảng nhiệt độ khảo sát (thấp hơn nhiệt độ nóng chảy và

nhiệt độ sôi của các monome) sự tăng nhiệt độ làm cho độ nhớt SV của copolyme

có giảm dần Vì nhiệt độ cao làm tăng khả năng tắt mạch của phản ứng trùng hợp

gốc Ở nhiệt độ thấp thì khả năng tạo mạch dài thuận lợi hơn

3.2.2.4 Ảnh hưởng của độ pH

Để khảo sát ảnh hưởng của độ pH dung dịch nhũ tương đem trùng hợp

chúng tôi làm các thí nghiệm tương tự với các thí nghiệm trên Xúc tác 2,2' azobis 1% so với khối lượng monome, nhiệt độ phản ứng là 30 °C, tỉ lệ chất hoạt

động bể mặt là 3% (3 gram NP.9) với sự thay đổi pH bằng dung dịch NH¡ Lúc

đó giảm lượng nước cất tương ứng sao cho khối lượng pha nước vẫn là 67 gram

Kết quả thu được các copolyme có độ nhớt SV như bảng dưới:

Bảng 3.10: Độ nhớt SV của coplyme khi pH nhã tương thay đổi

33 Ket qua & biện luận

Khi pH dung dịch bằng 6 trổ lên các nhóm -COOH chủ yếu nằm ở dang ion

-COO,, phản ứng đồng trùng hợp cũng cho copolyme có độ nhớt SV lớn hơn với

pH khoảng bằng 7, tức là sản phẩm thu được khối lượng phân tử cao Còn khi pH

>7, khả năng thủy phân sản phẩm tăng lên, độ nhớt hệ phản ứng quá cao nên

giảm khả năng phát triển mạch Hơn nữa đây là hệ nhũ tương, pH cao có khả năng phá nhũ Vì vậy, chúng tôi chọn pH = 7 để thực hiện các phần ứng sau

3.2.2.5 Ảnh hưởng của tỉ lệ chất hoạt động bề mặt

Để khảo sát ảnh hưởng của lượng chất hoạt động bể mặt chúng tôi tiến hành các thí nghiệm tương tự thí nghiệm đầu ở nhiệt độ 30°C, nồng độ xúc tác 2,2"

azobis 1% so với khối lượng monome, ở pH = 7 Khi tăng dần hàm lượng chất

hoạt động bé mặt (hđbm) thì các copolyme thu được có độ nhớt SV như sau:

Bảng 3.11: Độ nhớt SV của coplyme khi lượng chất hđbm thay đổi

54 SXết quá & biện luận

có kích thước nhỏ Phản ứng xảy ra trên bể mặt các hạt mixen Với các thí

nghiệm 4, 5 có lượng chất hoạt động bể mặt cao thì lượng polyme thu được giảm dẫn và mủn hơn Và độ nhớt SV giảm, chứng tỏ mạch polyme ngắn hơn Có thể

do chúng tạo thành dung dịch vi nhũ tương làm tăng độ phân tán của polyme tổng

hợp nên mạch ngắn hơn

Với sản phẩm aPAM có độ nhớt SV = 4,2 cp thi ước lượng theo các giá trị

của tài liệu tham khảo (mục 2.1.3) sẽ có KLPT khoảng 1,2 10” g.mol

Chúng tôi chưa có điều kiện để khảo sát phần ứng với các chất hoạt động bể

mặt khác nhau nhiều hơn Ở đây chúng tôi mới khảo sát được chất hoạt động NP-

một chất hđbm tương đối rẻ cho phản ứng

Nhận xét: Với phương pháp trùng hợp nhũ tương, chúng tôi thu được các sản

phẩm tan rất chậm trong nước, với nồng độ thấp đã cho dung dịch có độ nhớt cao

nên KLPT aPAM tổng hợp rất lớn Qua khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến phản

ứng đồng trùng hợp nhũ tương cua acrylamit va axit acrylic để tổng hợp aPAM

thì sản phẩm với các điều kiện khảo sat tối ưu, dựa theo độ nhớt SV để đánh giá thì có KLPT trên 10” g.mol' Chúng tôi sử dụng vật liệu này để khảo sát chống xói mòn đất

55 Xất quả & biện trận

3.3 Các ứng dụng làm bền đất của vật liệu tổng hợp

3.3.1 Khả năng kết bông của vật liệu

Chúng tôi quan sát tốc độ kết bông của đất với nước cất chứa PAM hoặc không chứa PAM và nước cất chứa muối CaCl; 0,005 M với có hoặc không có

aPAM (20 ppm) ở các giây thứ 10, 30 và sau 5, 30, 60 phút Chúng tôi rút ra một

số nhận xét sau:

- Các ống chứa aPAM có hiện tượng kết bông mạnh mẽ

- Tốc độ kết bông của ống chứa aPAM + CaC]; diễn ra nhanh chóng

Giải thích: aPAM bị các hạt đất hút qua lực hút tĩnh điện và lực Van der

Waals Stic hut bé mat lam két bông các hạt đất bằng cách tăng độ kết dính giữa các tiểu phân Một số tiểu phân tách ra thì bị kết bông nhanh chóng bởi aPAM, làm cho chúng lắng xuống khỏi dòng chảy Một lượng nhỏ ion Ca”* trong nước làm co lớp điện kép bể mặt tiểu phân đất và làm cầu nối bể tích điện âm của hạt

đất với phân tử PAM

Sau 120 phút đất trong ống chứa CaCl; 0,005M không có PAM kết bông hoàn toàn trong khi đất trong ống chứa ống chứa CaCl; 0,005M có PAM vẫn còn

vẩn đục nhẹ Điều này có thể do độ nhớt cao hơn của dung dịch aPAM-CaCl;

0,005 M Các ống trên ảnh minh họa xếp theo theo thứ tự :

ống sốI: Nước cất + aPAM ống số 2: Tap + aPAM

fay ~~] Két qua & biện luận

Hinh vé 3.2: Co ché két bong (Flocculation Mechanisms) '>'

Zo

đẩy nhau

2 © + ˆ ^^ A # 4 a et Các tiểu phân mất điện tích có thể tiến

lại gần nhau đủ để kết tụ

OO

Cau két béng (Bridging locculation) Đây polyme làm cầu nối các tiểu phân hình thành khối đủ lớn để lắng xuống

Hình vẽ trên mô tả cơ chế kết bông của aPAM trong việc làm trong nước

tưới cho đất Khối lượng phân tử lớn của PAM cho phép nó kết tụ các tiểu phân đất, với việc thêm các ion hóa trị hai (Ca?) vào có tác dụng hình thành các cầu

nổi 1on

Còn với thí nghiệm thứ 2: Kết quả quan sát được là copolyme có khối lượng

phân tử lớn có tốc độ kết bông nhanh hơn copolyme có khối lượng phân tử nhỏ rất nhiều Các hợp chất PAM đều có khả năng kết bông Khối lượng phân tử càng

lớn thì sự kết bông càng nhanh chóng Mạch polyme càng dài hút càng nhiều các

tiểu phân đất tích điện, làm tăng kích thước khối keo tụ nên lắng nhanh hơn

Đem tiến hành với đất sét pha thịt (clay) thi thu được kết quả tương tự Tốc

độ kết bông của đất mùn chậm hơn một chút Có thể do hầm lượng cation hóa trị

hai thấp hơn Nói chung, vật liệu tổng hợp (aPAM) có khả năng kết bông tốt

trong nước hòa tan các loại đất khác nhau