Nghiên cứu khả năng tự phân hủy của Polyme phế thải trong sự có mặt của một số kim loại chuyển tiếp (Fe, Mn, Co)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN PHẠM THỊ THU TRANG NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG TỰ PHÂN HỦY CỦA POLYME PHẾ THẢI TRONG SỰ CÓ MẶT CỦA MỘT SỐ KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP Fe,

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

PHẠM THỊ THU TRANG

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG TỰ PHÂN HỦY CỦA POLYME PHẾ THẢI TRONG SỰ CÓ MẶT CỦA MỘT SỐ KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP (Fe, Mn, Co)

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

PHẠM THỊ THU TRANG

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG TỰ PHÂN HỦY CỦA

POLYME PHẾ THẢI TRONG SỰ CÓ MẶT CỦA

MỘT SỐ KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP (Fe, Mn, Co)

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

Chuyên ngành: Hóa Hữu cơ

Mã số: 60440114 Người hướng dẫn : TS Nguyễn Thanh Tùng

Hà Nội: 2016

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian nghiên cứu, đề tài đã hoàn thành Tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới TS Nguyễn Thanh Tùng - Phòng vật liệu Polyme, Viện Hoá học – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã giao đề tài và tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong thời gian vừa qua Tôi cũng xin trân trọng cảm ơn các thầy cô trong khoa Hoá học – Trường ĐHKHTN- ĐHQG Hà Nội, các anh chị đang công tác tại phòng vật liệu Polyme – Viện Hoá học, bạn bè, người thân đã

giúp đỡ, động viên và tạo điều kiện để tôi hoàn thành luận văn này

Hà Nội, 12 tháng 12 năm 2015

Phạm Thị Thu Trang

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 6

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 7

DANH MỤC CÁC BẢNG 8

MỞ ĐẦU 9

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN Error! Bookmark not defined 1.1 Vấn đề nhựa phế thải đối với môi trường Error! Bookmark not defined 1.2 Một số biện pháp quản lý nhựa phế thải Error! Bookmark not defined 1.2.1 Ngăn ngừa và tái sử dụng nhựa phế thải Error! Bookmark not defined 1.2.2 Tái chế Error! Bookmark not defined 1.2.3 Thiêu đốt và chôn lấp Error! Bookmark not defined 1.3 Xử lý nhựa phế thải bằng công nghệ oxo - biodegradationError! Bookmark not defined

1.3.1 Phụ gia xúc tiến oxi hóa và quá trình phân hủy của màng PE chứa phụ gia

Error! Bookmark not defined 1.3.2 Quá trình oxi hóa quang và nhiệt Error! Bookmark not defined 1.3.3 Quá trình phân hủy sinh học của PE sau phân hủy giảm cấp Error! Bookmark not defined

1.4 Ứng dụng của việc tái chế nhựa phế thải thành các sản phẩm tự phân hủy

Error! Bookmark not defined CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM Error! Bookmark not defined 2.1 Hóa chất và thiết bị Error! Bookmark not defined 2.1.1 Hóa chất Error! Bookmark not defined 2.1.2 Thiết bị Error! Bookmark not defined 2.2 Các phương pháp tạo mẫu Error! Bookmark not defined 2.2.1 Phương pháp tạo mẫu dạng tấm Error! Bookmark not defined 2.2.2 Phương pháp tạo mẫu dạng màng Error! Bookmark not defined 2.3 Các phương pháp phân tích đánh giá Error! Bookmark not defined 2.3.1 Xác định tính chất cơ lý Error! Bookmark not defined 2.3.2 Phổ hồng ngoại (FTIR) Error! Bookmark not defined 2.3.3 Kính hiển vi điện tử quét (SEM) Error! Bookmark not defined

2.3.4 Xác định chỉ số Cacbonyl (CI) Error! Bookmark not defined 2.3.5 Nghiên cứu quá trình phân hủy oxi hóa quang nhiệt ẩmError! Bookmark not defined

2.3.6 Nghiên cứu quá trình phân hủy trong môi trường tự nhiênError! Bookmark not defined

2.4 Nội dung nghiên cứu Error! Bookmark not defined

2.4.1 Nghiên cứu chế tạo màng polime tự hủy trên cơ sở nhựa PE phế thải và phụ

gia xúc tiến oxi hóa Error! Bookmark not defined

2.4.2 Nghiên cứu quá trình phân hủy của màng polime tự phân hủy trong môi

trường Error! Bookmark not defined 2.4.3 Ứng dụng của bầu ươm cây tự hủy cho một số loài câyError! Bookmark not defined

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Error! Bookmark not defined

3.1 Nghiên cứu chế tạo màng polime tự hủy trên cơ sở nhựa PE phế thải và phụ gia

xúc tiến oxi hóa Error! Bookmark not defined 3.1.1 Nghiên cứu lựa chọn thành phần nhựa nền Error! Bookmark not defined 3.1.2 Nghiên cứu lựa chọn hàm lượng tinh bột Error! Bookmark not defined 3.1.3 Nghiên cứu lựa chọn phụ gia xúc tiến oxi hóa Error! Bookmark not defined 3.1.4 Nghiên cứu lựa chọn hàm lượng phụ gia xúc tiến oxi hóaError! Bookmark not defined

3.1.5 Ảnh hưởng của tỷ lệ tổ hợp phụ gia coban stearat/ sắt stearat đến tính chất vật

liệu Error! Bookmark not defined 3.2 Nghiên cứu quá trình phân hủy trong môi trường của mẫu vật liệu Error! Bookmark not defined

3.2.1 Nghiên cứu quá trình lão hóa tự nhiên Error! Bookmark not defined 3.2.2 Nghiên cứu khả năng phân hủy sinh học của vật liệuError! Bookmark not defined

3.3 Ứng dụng của bầu ươm cây tự hủy cho một số loài câyError! Bookmark not defined

3.3.1 Giai đoạn ươm cây Error! Bookmark not defined 3.3.2 Giai đoạn trồng thực tế Error! Bookmark not defined KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Giải thích

CSMA Copolyme coban maleat – styren

ELV Chất thải từ các phương tiện vận tải hết hạn sử dụng

HDPE Polietilen tỷ trọng cao

KLPT Khối lượng phân tử

LDPE Polietilen tỷ trọng thấp

LLDPE Polietilen tỷ trọng thấp mạch thẳng

POPs Chất hữu cơ bền gây ô nhiễm

WEEE Nhựa phế thải từ thiết bị điện, điện tử

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Sản lượng chất dẻo toàn thế giới từ 1978 đến 2050 (triệu tấn) Error! Bookmark not defined

Hình 1.2 Phân bố sản lượng nhựa toàn thế giới Error! Bookmark not defined Hình 1.3 Biểu đồ phân loại chất dẻo Error! Bookmark not defined Hình 1.4 Nhu cầu sử dụng nhựa theo các lĩnh vực trong khối EU-27, Na Uy và Thuỵ Sĩ năm 2008 [8] Error! Bookmark not defined Hình 1.5 Các biện pháp xử lý nhựa phế thải ở Châu Âu giai đoạn 2006-2010Error! Bookmark not defined

Hình 1.6 Cơ chế phân huỷ quang hoá PE Error! Bookmark not defined Hình 1.7 Phân huỷ oxi hoá theo cơ chế Norrish Error! Bookmark not defined Hình 1.8 Quá trình phân hủy của PE xúc tác bởi kim loại chuyển tiếp [26] Error! Bookmark not defined

Hình 1.9 Cơ chế phân hủy sinh học của PE sau khi phân hủy oxi hóa [26] Error! Bookmark not defined

Hình 2.1 Mẫu vật liệu đo tính chất cơ lý Error! Bookmark not defined Hình 3.1 Ảnh SEM hình thái học bề mặt của các tổ hợp nhựa nềnError! Bookmark not defined

Hình 3.2 Ảnh SEM của các mẫu nhựa chứa tinh bộtError! Bookmark not defined Hình 3.3 Ảnh hưởng của loại phụ gia xúc tiến đến độ dãn dài khi đứt của các mẫu vật liệu Error! Bookmark not defined Hình 3.4 Ảnh hưởng của phụ gia xúc tiến đến chỉ số cacbonyl của các mẫu vật liệu Error! Bookmark not defined Hình 3.5 Phổ IR của mẫu PE-Fe ban đầu Error! Bookmark not defined Hình 3.6 Phổ IR của mẫu PE-Fe sau 288 giờ oxi hóa quang nhiệt ẩmError! Bookmark not defined

Hình 3.7 Ảnh hưởng của thời gian thử nghiệm mẫu đến độ dãn dài khi đứt của mẫu vật liệu Error! Bookmark not defined Hình 3.8 Ảnh hưởng của thời gian oxi hóa quang đến chỉ số CI của các mẫu Error! Bookmark not defined

Hình 3.9 Ảnh SEM của các mẫu vật liệu sau 288 giờ oxi hóa quang nhiệt ẩmError! Bookmark not defined

Hình 3.10 Ảnh hưởng của tỷ lệ phụ gia xúc tiến oxi hóa đến độ dãn dài khi đứt của vật liệu Error! Bookmark not defined Hình 3.11 Ảnh SEM của các mẫu vật liệu ban đầu và sau 288 giờ oxi hóa quang nhiệt

ẩm Error! Bookmark not defined Hình 3.12 Độ dãn dài khi đứt của các mẫu vật liệu Error! Bookmark not defined

Hình 3.13 Chỉ số cacbonyl của các mẫu màng Error! Bookmark not defined Hình 3.14 Ảnh SEM của mẫu CT1, CT2 ban đầu và sau 6 tháng thử nghiệmError! Bookmark not defined

Hình 3.15 Ảnh SEM các mẫu sau 6 tháng ngâm trong nước Error! Bookmark not defined

Hình 3.16 Ảnh SEM các mẫu sau 6 tháng chôn trong đất Error! Bookmark not defined

Hình 3.17 Mảnh bầu ươm thu gom sau 2 tháng trồng thực tếError! Bookmark not defined

Hình 3.18 Mảnh bầu ươm thu gom sau 3 tháng trồng thực tếError! Bookmark not defined

DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Tỷ lệ xử lý nhựa phế thải sau sử dụng theo lĩnh vực ở 27 nước EU, Na Uy và Thụy Sỹ năm 2008 [5] Error! Bookmark not defined Bảng 1.2 Tổng quan các nghiên cứu quá trình phân hủy sinh học bằng các chủng vi khuẩn xác định và các tập đoàn vi khuẩn phức tạp Error! Bookmark not defined Bảng 3.1 Tính chất cơ lý của tổ hợp nhựa nền Error! Bookmark not defined Bảng 3.2 Tính chất cơ lý của các tổ hợp nhựa chứa tinh bột Error! Bookmark not defined

Bảng 3.3 Ảnh hưởng của phụ gia đến độ bền kéo của các mẫu vật liệu Error! Bookmark not defined

Bảng 3.4 Ảnh hưởng của hàm lượng phụ gia đến độ bền kéo đứt của các mẫuError! Bookmark not defined

Bảng 3.5 Ảnh hưởng của tỷ lệ Co(II) stearat/Fe(III) stearat đến độ bền kéo đứt của vật liệu Error! Bookmark not defined Bảng 3.6 Độ bền kéo đứt của các mẫu màng (MPa)Error! Bookmark not defined Bảng 3.7 Tổn thất khối lượng của các mẫu khi ngâm trong nước (%)Error! Bookmark not defined

Bảng 3.8 Tổn thất khối lượng của các mẫu khi chôn trong đất (%)Error! Bookmark not defined

Bảng 3.9 Tốc độ sinh trưởng chiều cao của cây thôngError! Bookmark not defined Bảng 3.10 Tốc độ sinh trưởng chiều cao của cây bạch đàn Error! Bookmark not defined

Bảng 3.11 Tốc độ sinh trưởng chiều cao của cây keoError! Bookmark not defined Bảng 3.12 Quá trình phân hủy của bầu ươm Error! Bookmark not defined Bảng 3.13 Tỉ lệ sống của cây thông Error! Bookmark not defined Bảng 3.14 Tỉ lệ sống của cây keo Error! Bookmark not defined Bảng 3.15 Tỉ lệ sống của cây bạch đàn Error! Bookmark not defined Bảng 3.16 Sự phát triển của các loại cây sau 30 ngàyError! Bookmark not defined Bảng 3.17 Sự phát triển của các loại cây sau 90 ngàyError! Bookmark not defined Bảng 3.18 Diễn biến quá trình phân hủy sinh học của bầu ươmError! Bookmark not defined.

MỞ ĐẦU

Nhựa tổng hợp đã trở thành một loại vật liệu quan trọng từ những năm 40 của thế

kỷ trước và sau này vật liệu nhựa đã dần thay thế các vật liệu truyền thống trong nhiều ứng dụng như thủy tinh, gỗ, vật liệu xây dựng và thay thế cả kim loại trong các ứng dụng môi trường, thương mại, công nghiệp và dân dụng Các ứng dụng của nhựa trong đời sống không ngừng lan rộng do những tính năng ưu việt của chúng như bền, nhẹ, chịu nước và ổn định trong môi trường Nhựa tổng hợp nói chung và các poliolefin nói riêng

là các vật liệu rất khó phân hủy trong môi trường Các phụ gia ổn định cho polyme trong quá trình gia công và sử dụng đã làm giảm mạnh tốc độ của quá trình phân hủy Ngoài ra, mức độ phân nhánh cao của các mắt xích trên mạch ngăn cản quá trình phân hủy bởi vi sinh vật Một yếu tố nữa khiến quá trình phân hủy sinh học chậm trễ của chất dẻo là sự hạn chế về khả năng hòa tan trong nước của nó Kích thước của đại phân tử polyme là rất lớn, nên các vi sinh vật không thể chuyển trực tiếp nó vào trong các tế bào

Ngày nay, môi trường đang phải chịu nhiều áp lực về rác thải rắn không phân hủy, trong đó các loại bao bì sản xuất từ nhựa (PE, PP ) chiếm một tỷ trọng đáng kể Trong điều kiện tự nhiên, các loại nhựa này không phân hủy hoặc phân hủy rất chậm, thời gian phân hủy có thể diễn ra hàng trăm năm Mặt khác, vai trò của vật liệu này đối với đời sống sản xuất và sinh hoạt là rất lớn, khó có thể thay thế Do vậy, để hạn chế tác động của nhựa phế thải đến môi trường đã có một số biện pháp được đưa ra như thay thế một phần bằng nguồn nguyên liệu có khả năng tái tạo, tái sử dụng hoặc đưa thêm một số phụ gia vào công thức chế tạo với vai trò xúc tiến quá trình phân hủy

Hơn nữa, các sản phẩm đi từ nhựa phế thải và các phụ gia có nhiều ứng dụng trong nông, lâm nghiệp như làm màng phủ bồi, màng phủ nhà lưới, bầu ươm cây Với mong muốn góp phần giải quyết những bức xúc do thực tế đặt ra, chúng tôi quyết định chọn

mặt của một số kim loại chuyển tiếp (Fe, Mn, Co)”

* Nhiệm vụ cụ thể của luận văn đặt ra:

TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt

[1] Trần Quang Ninh (2011), Tổng luận: Chất thải nhựa, túi ni lông và công nghệ xử

lý, Trung tâm thông tin KH&CN quốc gia

Tiếng Anh

[2] A Y Hugar et al (2010), “Influence of polyethylene munching on soil moisture,

nutrient uptake and seed cotton yield”, Indian J Agric Res., 44 (3), pp.189 – 194

[3] Aguado J et al (2007), “European trends in the feedstock recycling of plastic

waste”, Global NEST Journal, Vol 9(1), 12-19

[4] Albersson A C., Barenstedt C., Karlsson S., Lindberg T (1995), "Degradation

product pattern and morphology changes as mean to differentiate abiotically and

biotically aged degradable polyethylene", Polymer, 36, pp 3075-3083

[5] Ammala A., Bateman S., Dean K., Petinakis E., Sangwan P., Wong S., Yuan Q.,

Yu L., Patrick C., Leong K H (2011), "An overview of degradable and

biodegradation polyolefins", Prog Polym Sci., 36, pp 1015-1049

[6] BIO Intelligent Service (2011), European Commission (DG Environment) -

Plastic waste in the Environment - Final report

[7] Bonhomme S., Cuer A., Delort A.-M., Lemaire J., Sancelme M and Scott C

(2003), "Environmental biodegradation of polyethylene", Polymer Degradation and Stability, 81, pp.441-452

[8] Centre for Design at RMIT (2004), "The impacts of degradable plastic bags in

Australia", Final report to Department of the Environment and Heritage, Melbourne, Autralia

[9] Chiellini E (2004), "Which polymers are biodegradable?", CEEES Workshop,

November 4, Brussels, Belgium

[10] Chiellini E., Corti A and Swift G (2003), "Biodegradation of thermally-oxidized,

fragmented low-density polyethylenes", Polymer Degradation and Stability,

81(2), pp.341-351

[11] Cichy B., Kwiecień J., Piątkowska M., Kużdżal E., Gibas E., Rymarz G

(2010),"Polyolefin oxo - degradation accelerator - a new trend to promote

environmental protection", Polish Journal of Chemical Technology, 12(4), pp

44-52

[12] EAA - European Aluminium Association (2011), Aluminium used beverage can

recycling results, Europe 2009

[13] European Parliament (2013), Workshop on Plastic Waste, Brussles

[14] EI-Shafei H., EI-Nasser N H A., Kansoh A L and Ali A M (1998),

"Biodegradation of disposable polyethylene by fungi Streptomyces species",

Polymer Degradation and Stability, 62, pp.361-365

[15] European Commission (2013), Green Paper on a European Strategy on Plastic

Waste in the Environment, Brussels

[16] European Commission (2012), Environment: Commission urges Cyprus and

Lithuania to comply with EU waste legislation Press release, Brussels

[17] European Parliament - Committee on Environment, Public Health and Food

Safety(2010), End of life vehicles: Legal aspects, national practices and recommendations for future successful approach, Brussels

[18] Eyenga I I., Focke W W., Prinsloo L C., Tolmay A T (2002), "Photo

degradation: a solution for the shopping bag "Visual Pollution" problem?",

Macromol Symp., 178, pp 139-152

[19] Fontanella S., Bonhomme S., Koutny M., Husarova L., Brusson J -M.,

Courvavault J -P., Pitteri S., Samuel G., Pichon G., Lemaire J., Delort A -M (2010), "Comparison of the biodegradability of various polyethylene films

containing pro-oxidant additives", Polym Degrad Stab., 95, pp 1011-1021

[20] Hadad D., Geresh S., Sivan A (2005), "Biodegradation of polyethylene by the

thermophilic bacterium Brevibacillus borstelensis", J Appl Microbiol., 98, pp

1093-1100