ĐỂ CƯƠNG NGHIÊN CỨU KHOA HỌC : “ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU TRAO ĐỔI ANION TỪ POLYSTYREN PHẾ LIỆU, ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ NƯỚC SINH HOẠT VÀ NƯỚC THẢI”

MỤC LỤC 1. Đặt vấn đề 2 2. Tổng quan vấn đề nghiên cứu liên quan đến đề tài 4 3. Mục tiêu nghiên cứu 6 4. Địa điểm, thời gian và đối tượng nghiên cứu 6 5. Nội dung nghiên cứu 6 6. Phương pháp luận và phương pháp nghiên cứu 6 7. Dự kiến kết quả nghiên cứu 7 9. Phân chia trách nhiệm của các thành viên trong nhóm 9 10. Tài liệu tham khảo 10

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

KHOA MÔI TRƯỜNG

ĐỂ CƯƠNG NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

TÊN ĐỀ TÀI “ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU TRAO ĐỔI ANION TỪ

POLYSTYREN PHẾ LIỆU, ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ NƯỚC SINH HOẠT

VÀ NƯỚC THẢI”

Nhóm sinh viên thực hiện Bùi Thị Anh

Đào Thị Lý Đặng Thị Lý

Lê Sao Tuyết Nhi

Giảng viên hướng dẫn : TS Mai Văn Tiến

HÀ NỘI 9/2015

MỤC LỤC

1 Đặt vấn đề 2

2 Tổng quan vấn đề nghiên cứu liên quan đến đề tài 4

3 Mục tiêu nghiên cứu 6

4 Địa điểm, thời gian và đối tượng nghiên cứu 6

5 Nội dung nghiên cứu 6

6 Phương pháp luận và phương pháp nghiên cứu 6

7 Dự kiến kết quả nghiên cứu 7

9 Phân chia trách nhiệm của các thành viên trong nhóm 9

10 Tài liệu tham khảo 10

1 Đặt vấn đề

Nhựa là một trong những chất liệu tiện dụng nhất mà con người từng phát minh Với đặc tính rẻ, bền, tiện lợi, nhựa được ứng dụng trong hầu hết các lĩnh vực của đời sống từ túi nilon cho tới đồ dùng, chai lọ nhựa… Tuy nhiên, cuộc sống chúng

ta ngày nay đang phải đối mặt với mối đe dọa từ chính thứ chất liệu này gây nên Những phế phẩm, rác thải từ nhựa bị vứt một cách bừa bãi xuống biển đang từng ngày, từng giờ đưa thế giới tới bờ vực ô nhiễm nặng nề

Một trong các polyme quen thuộc với chúng ta là polystyrene Polystyren (thường viết tắt là PS) là một loại nhựa nhiệt dẻo, được tạo thành từ phản ứng trùng hợp styren:

Nhựa PS được chia thành 2 loại khác nhau:

- Hạt nhựa HIPS (High Impact Polystyrene) có khả năng chịu lực tốt, dùng làm

vỏ xe máy, vỏ tivi, hộp, khay đựng bánh kẹo, hũ sữa chua, hũ yaout, làm chén, đĩa loại dùng một lần,…

- Hạt nhựa GPPS (General Purpose Polystyrene) có màu trong suốt Nhựa GPPS có ứng dụng rất rộng như làm vỏ hộp đựng mứt, vỏ bánh kẹo, lọ mỹ phẩm, cánh quạt,

Hiện nay việc xử lý rác thải polyme trong đó có rác thải PS trong môi trường đang là một vấn đề nhức nhối chưa tìm được một giải pháp thích hợp và hiệu quả Nhựa có tính bền, nhẹ, thời gian phân hủy của các phế phẩm từ nhựa luôn xếp tốp đầu trong số các loại rác thải bị vứt bừa bãi xuống biển, đại dương Thống kê cho thấy, những chiếc dây cước câu cá làm từ nhựa chỉ có thể tan biến sau 600 năm, tiếp theo là chai nhựa với khoảng 450 năm và các vật dụng nhựa khác là 400 năm Khi lẫn vào đất

sẽ ngăn cản ôxi đi qua đất, gây xói mòn đất, làm cho đất bạc màu, không tơi xốp, kém chất dinh dưỡng, từ đó làm cho cây trồng chậm tăng trưởng Thực tế PS được làm từ dầu mỏ nguyên chất khi chôn lấp chúng dưới đất sẽ ảnh hưởng tới môi trường đất và nước, sẽ tạo ra khí thải có chất độc dioxin và Fura gây ngộ độc, ảnh hưởng tuyến nội tiết, gây ung thư, giảm khả năng miễn dịch, rối loạn chức năng tiêu hóa và các dị tật bẩm sinh ở trẻ nhỏ Bên cạnh đó rác thải PS còn làm mất mỹ quan tới cảnh quan

Để hạn chế hoặc khắc phục các tác hại của rác thải polyme và ở đây là phế liệu

PS, trong nước và các quốc gia trên thế giới đã có rất nhiều các giải pháp như:

- Chôn lấp, thiêu đốt (chiếm phần lớn).

- Tái chế sử dụng các phế liệu để chế tạo các sản phẩm thứ cấp như bê tông xốp, xốp cách âm, xốp cách nhiệt, hộp xốp tái chế

- Chế tạo dầu crackinh: Đưa phế liệu vào lò hấp đốt thiêu kết không có không khí

nó thành dầu

- Các biện pháp khác

Tuy nhiên các biện pháp này không hiệu quả, chất lượng các sản phẩm thứ cấp không tốt thậm chí có thể gây ảnh hưởng đến sức khỏe con người (chả hạn như hộp cơm tái chế khi đựng thức ăn ở nhiệt độ cao), biện pháp chôn lấp thiêu đốt chúng lại là vấn đề gây ô nhiễm môi trường không khí đất và nước nặng nề, trên đây là những biện pháp chưa thực sự triệt để và hiệu quả, giải quyết đước vấn đề ô nhiễm này nhưng lại phát sinh ra vấn đề ô nhiễm, những nguy hiểm tiềm ẩn khác đối với môi trường và sức khỏe sinh vật, con người Trong vấn đề chuyển phế liệu sang dầu cũng cần năng lượng tốn hơn, chi phí đắt đỏ đối với một nước đang phát triển như Việt Nam ta

Việc xử lý chúng là rất khó khăn và tốn kém chính vì vậy tái chế là một biện pháp khả quan hơn cả và tận dụng được chính tính chất bền của chúng, nguồn phế liệu rác thải PS săn có

Cần thiết phải tìm ra hướng giải quyết hiệu quả, tránh gây lãng phí và bảo vệ môi trường cụ thể là môi trường nước (nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp,…) đạt hiệu quả kinh tế

Mặt khác ở Việt Nam nhu cầu sử dụng vật liệu trao đổi ion lớn tuy nhiên nước

ta phải nhập khẩu chủ yếu từ các nước khác và chủ yếu là từ trung quốc, chất lượng chưa hẳn đảm bảo Loại vật liệu trao đổi ion được ứng dụng trong xử lý môi trường cụ thể là môi trường nước đem lại hiệu quả cao nhưng trong nước chưa có sản xuất được loại vật liệu này Từ mong muốn phát triển loại vật liệu này ở Việt Nam, đồng thời xử

lý được phế liệu PS lâu phân hủy, xử lý được một số anion độc hại trong nước thải Chúng em đã đưa ra ý tưởng nghiên cứu “Chế tạo vật liệu trao đổi anion từ polystyren phế liệu” Biện pháp này vừa có thể xử lý một phần phế liệu polystyren bằng cách tái chế, vừa có thế xử lý ô nhiễm nước đối với một số anion độc hại đang là vấn đề cấp bách hiện nay, tạo ra một sản phẩm đảm bảo về mặt chất lượng và hiệu quả kinh tế cao

nhất khi nguyên liệu được tái chế từ chính nguồn phế liệu dồi dào trong nước và giảm việc nhập khẩu vật liệu từ nước ngoài

2 Tổng quan vấn đề nghiên cứu liên quan đến đề tài

Hiện nay ô nhiễm nước đang là một trong những vấn đề được quan tâm hàng đầu trên thế giới, đã có rất nhiều nghiên cứu để đưa ra các giải pháp xử lý ô nhiễm nước (nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiêp,…) Trong đó có xử lý các ion độc hại trong nước bằng các vật liệu biến tính như vật liệu nhựa trao đổi ion

Hạt nhựa trao đổi ion đóng vai trò quan trọng trong lọc và xử lý nước Việc chọn được hạt nhựa phù hợp nhất cho mục đích xử lý nước nhằm đem lại hiệu quả cao nhất mà giá thành tốt nhất là mong muốn của nhà sản xuất lẫn người tiêu dùng

Về nguyên tắc, vật liệu dùng để trao đổi ion là những chất không hoà tan và có chứa các ion có thể dễ dàng trao đổi với các ion khác trong dung dịch phản ứng với nó

Sự trao đổi này không làm biến đổi tính chất vật lý của vật liệu trao đổi ion

Bên cạnh đó nhựa trao đổi ion là một loại polyme có khả năng trao đổi và chọn lọc những anion độc hại như (Cl-, SO42-, NO3-, PO43-, …) trong môi trường nước Về

cơ bản nhựa trao đổi ion phổ biến được tổng hợp và chế tạo trên cơ sở là polystyren và copolyme của nó có khả năng trao đổi ion dương và nhóm amine trao đổi ion âm Các loại nhựa tổng hợp được sử dụng chủ yếu để tinh sạch nước

PS (polystyrene) là loại nhựa cứng trong suốt, không có mùi vị, cháy cho ngọn lửa không ổn định PS không màu và dễ tạo màu, hình thức đẹp, dễ gia công bằng phương pháp ép và ép phun vì vậy một phần PS có trong các thùng xốp, hộp xốp đựng thức ăn, để kê giữ bảo vệ các thiết bị máy móc,…

Quá trình tổng hợp polystyren và copolyme của nó được tạo thành từ phản ứng trùng hợp styren (CH[C6H5]-CH2)n , hoặc đồng trùng hợp styren với các monome khác,…

Trên thực tế các loại nhựa trao đổi ion được chế tạo từ PS hoặc copolystyren đều phải sử dụng các phản ứng biến tính thông qua các phản ứng sunfua hóa, clometyl hóa copolyme styren đivinylbenzen, phản ứng amin hóa với amin bậc hai

Clometyl hóa copolyme styren đivinylbenzen sau đó bằng phản ứng amin hóa với amin bậc hai có thể chế tạo được nhựa trao đổi anion:

Hiện nay trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu và ứng dụng vật liệu trao đổi anion vào xử lý nước thải mà chủ yếu nước thải sinh hoạt có chứa các anion độc hại (Cl-, SO42-, NO3-, PO43-, …) mà nó được tái chế chủ yếu từ phế liệu (thùng xốp, hộp xốp, kệ gữi các thiết bị máy móc,…) Như tổng hợp zeolite năm 1913 do Permutit Company (Mỹ), cacbonate zeolite được sử dụng làm vật liệu trao đổi ion năm 1935 Nhựa trao đổi cation trùng hợp formadehyde, trao đổi anion (sản phẩm trùng hợp của polyamines and formaldehyde) Các sản phẩm này có thể tách loại tất các ion trong nước, nhưng nhựa anion không thể tách acid yếu của Si hoặc kiềm Năm 1944, nhóm các nhà nghiên cứu của Mỹ, D’ Alelio phát triển nhựa trao đổi anion - đồng trùng hợp của styrene và divinylbenzen Nhựa anion loại này được phát triển năm 1948, có thể tách hoàn toàn các khoáng trong nước và được dùng rộng rãi cho đến ngày nay

Tại Việt Nam đã có nhiều đề tài nghiên cứu về nhựa trao đổi ion do các giáo sư tiến sĩ tại các trường đại học, nhưng chưa được đưa vào sản xuất mà chủ yếu nhập khẩu từ nước ngoài như Trung Quốc, Mĩ, Ấn Độ,… chất lượng sản phẩm chưa hẳn

đảm bảo hoặc giá thành cao Vì vậy việc nghiên cứu, đưa vào sản xuất tại trong nước nhựa trao đổi ion sẽ mang lại những sản phẩm đảm bảo chất lượng và giá thành phù hợp đặc biệt khi sản phẩm được tái chế từ nguồn phế liệu PS

Biện pháp dùng nhựa trao đổi anion tái chế từ phế liệu có nhiều tiện ích như thời gian sử dụng lâu dài, tái sinh được nhiều lần với chi phí thấp, năng lượng tiêu tốn nhỏ, hiệu quả cao Đặc biệt đây là phương pháp xử lý nước thân thiện với môi trường vì nó chỉ hấp thu các chất sẵn có trong nước, phù hợp với điều kiện và nhu cầu của nước ta

- Mục tiêu chung: Nghiên cứu xử lý và tận dụng nguồn phế liệu Polystyren thải để chế tạo vật liệu trao đổi anion, ứng dụng xử lý nước sinh hoạt, nước thải ô nhiễm

- Mục tiêu cụ thể: Chế tạo được nhựa trao đổi anion từ PS phế liệu và thử nghiệm đánh giá khả năng trao đổi anion của vật liệu, cụ thể: Cl-, NO2- , NO3-, PO43-, …

4 Địa điểm, thời gian và đối tượng nghiên cứu

- Địa điểm: Phòng thí nghiệm khoa Môi Trường, Trường Đại Học Tài Nguyên

và Môi Trường Hà Nội

- Thời gian nghiên cứu: Dự kiến từ tháng 9 năm 2015 đến tháng 4 năm 2016

- Đối tượng nghiên cứu: Vật liệu mới, vật liệu nhựa có khả năng trao đổi anion ứng dụng trong xử lí môi trường nước

5 Nội dung nghiên cứu

+ Tổng quan tài liệu về PS nghiên cứu chế tạo nhựa trao đổi anion từ PS phế liệu

+ Thu thập, phân loại và xử lý PS phế liệu để tổng hợp nhựa trao đổi anion

+ Nghiên cứu khảo sát các yếu tố có thể ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp nhựa: nhiệt độ, nồng độ chất phản ứng, các chất xúc tác ( Friedel – Crafts )

+ Khảo sát khả năng trao đổi anion của nhựa với các anion Cl-, NO2- , NO3- ,

PO43-

6 Phương pháp luận và phương pháp nghiên cứu

* Phương pháp luận (Cách tiếp cận): Xuất phát từ tình hình thực tế hiện nay,

nước bị ô nhiễm bởi các anion (Cl- , NO2- , NO3-, PO43-,…) ngày càng nhiều và phổ biến Các anion này không chỉ có trong nước thải được thải ra ao, hồ mà chúng còn có

cả trong nước sinh hoạt hàng ngày của chúng ta điều này đã gây ảnh hưởng nghiêm trọng tới môi trường cũng như cuộc sống của con người, sinh vật

Vì vậy việc nghiên cứu ra một loại vật liệu biến tính có khả năng trao đổi ion là một đề tài rất hấp dẫn và mới ở nước ta Như việc sử dụng PS phế liệu rồi làm biến tính chúng bằng các phản ứng hóa học: clometyl hóa copolyme styren đivinylbenzen sau đó bằng phản ứng amin hóa với amin bậc hai để có thể điều chế được nhựa trao đổi với các anion có trong nước nhằm làm giảm nồng độ của các anion này

* Các phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp tổng hợp polyme, phản ứng trao đổi ion, phản ứng thế vòng thơm, sunfua hóa, clometyl hóa, phản ứng không mạch tạo lưới dựa trên thiết bị tổng hợp hữu cơ để chế tạo nhựa trao đổi anion

- Phương pháp gia công: Sử dụng kỹ thuật gia công chế biến nhựa (nhựa nhiệt dẻo) trao đổi anion để biết được độ dẻo, khả năng chịu nhiệt và độ bền của chúng trong môi trường nước

- Phương pháp phân tích: Sử dụng các phương pháp phân tích hện đại đặc trưng như phổ hồng ngoại (IR), phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR), phương pháp phân tích nhiệt, phổ hấp thụ nguyên tử AAS, phương pháp tiêu chuẩn ISO ASTM nhằm phân tích, đánh giá khả năng hấp thụ trao đổi ion của các hạt nhựa

- Phương pháp nghiên cứu tài liệu: Thu tập tài liệu về khả năng trao đổi anion của PS

- Phương pháp kế thừa: Kế thừa các nghiên cứu đã được công nhận về các vấn

đề liên quan đến đề tài

- Phương pháp thống kê, so sánh để phân tích kết quả đạt được khi sử dụng phương pháp này và phương pháp khác

7 Dự kiến kết quả nghiên cứu

* Ý nghĩa khoa học: Việc nghiên cứu sử dụng PS phế liệu để chế tạo vật liệu

nhựa trao đổi ion có ý nghĩa to lớn về mặt khoa học như: tận dụng được một lượng lớn

PS phế liệu, tạo ra thêm được một loại vật liệu (nhựa trao đổi ion) có tính ứng dụng

lớn trong xử lí môi trường nước, tiết kiệm được về mặt kinh tế, giảm thiểu được khả năng gây ô nhiễm môi trường

* Ý nghĩa thực tế: Chế tạo ra loại vật liệu xử lí ô nhiễm từ chính phế liệu góp

phần giảm thiểu các tác nhân gây ô nhiễm môi trường

8 Kế hoạch thực hiện

Bảng kế hoạch thực hiện đề tài nghiên cứu khoa học

1 Lựa chọn và xây dựng đề tài

2 Báo cáo và thông qua đề cương

3 Tổ chức nghiên cứu trong khuôn

khổ đề cương được phê duyệt,

bao gồm thu thập số liệu và đi

thực địa, kết hợp với phân tích số

liệu và viết tổng quan tài liệu

6 Báo cáo kết quả nghiên cứu

9 Phân chia trách nhiệm của các thành viên trong nhóm

1 Bùi Thị Anh Thu thập tài liệu, thu thập phân loại xử lý phế

liệu, mua hóa chất, tham gia tổng hợp vật liệu Khảo sát đánh giá sản phẩm Tổng hợp và xử lý kết quả phân tích

2 Đặng Thị Lý Thu thập tài liệu, thu thập phân loại xử lý phế

liệu, mua hóa chất, tham gia tổng hợp vật liệu Khảo sát đánh giá sản phẩm Tổng hợp và xử lý kết quả phân tích

3 Đào Thị Lý Thu thập tài liệu, thu thập phân loại xử lý phế

liệu, mua hóa chất, tham gia tổng hợp vật liệu Khảo sát đánh giá sản phẩm Tổng hợp và xử lý kết quả phân tích

4 Lê Sao Tuyết Nhi Thu thập tài liệu, thu thập phân loại xử lý phế

liệu, mua hóa chất, tham gia tổng hợp vật liệu Khảo sát đánh giá sản phẩm Tổng hợp và xử lý kết quả phân tích Quản lý qũy của nhóm

Tất cả các thành viên trong nhóm đều phải có trách nhiệm tham gia thảo luận, đưa ra ý kiến để thu được kết quả hiệu quả cuối cùng cho đề tài nghiên cứu

10 Tài liệu tham khảo

1 Lê Văn Cát, (2002).Hấp thụ và trao đổi ion trong xử lí nước và nước

thải.NXB thống kê Hà Nội.

2 Trần Văn Nhân Ngô Thị Nhân Giáo trình công nghệ xử lý nước thải NXB

KHKT

3 Trần Thị Thu Hằng, (2013) Nghiên cứu chế tạo vật liệu composite trên nền

nhựa polyethylene và mùn cưa NXB BỘ GIÁO DỤC và ĐÀO TẠO

4 GS.TSKH Nguyễn Đình Đức, Vật liệu composite-tiềm năng và ứng dụng.

Đại Học Quốc Gia Hà Nội

5 GS.ThS Ngô Duy Cường, Hóa học các hợp chất cao phân tử tr24, 25, 99,

100, 101, 102.

6.PGS.TS Trịnh Lê Hùng, Kỹ thuật xử lý nước thải NXB GD tr108, 109.

7 TS Lê Minh Đức, Bài giảng nhựa trao đổi ion tr5, 11, 12, 13.