Nghiên cứu quy trình biến tính vỏ chuối ứng dụng làm vật liệu hấp phụ dầu khoáng

NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH BIẾN TÍNH VỎ CHUỐI ỨNG DỤNG

LÀM VẬT LIỆU HẤP PHỤ DẦU KHOÁNG

Phạm Nguyễn Hoàng Long, Nguyễn Công Minh Trí, Vũ Ngọc Bảo Trân

Viện Khoa học Ứng dụng HUTECH, Trường Đại học Công nghệ TP.Hồ Chí Minh

GVHD: PGS.TS Thái Văn Nam, ThS. Trịnh Trọng Nguyễn

TÓM TẮT

Ô nhiễm dầu từ các sự cố tràn dầu là một trong những mối quan tâm hiện nay. Có nhiều phương

pháp để xử lý sự cố dần tràn và hấp phụ là một trong những phương pháp khả thi nhất. Hiện nay,

việc nghiên cứu, chế tạo các loại vật liệu hấp phụ dầu có nguồn gốc tự nhiên đang được quan tâm.

Mục tiêu của nghiên cứu này là xây dựng quy trình biến tính vỏ chuối nhằm gia tăng hiệu quả hấp

phụ dầu đồng thời hạn chế khả năng ưa nước của các vật liệu hấp phụ tự nhiên truyền thống. Vỏ

chuối được xử lý sơ bộ, xử lý hoá học sau đó được biến tính với acid oleic ở tỷ lệ thích hợp. Sau đó,

vật liệu được đánh giá khả năng xử lý dầu khoáng (dầu diesel) và khảo sát một số thông số ảnh

hưởng đến khả năng hấp phụ dầu của vật liệu.

Từ khóa: Acid oleic, biến tính, dầu diesel, hấp phụ, vỏ chuối.

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Hiện nay việc ô nhiễm dầu từ các sự cố tràn dầu đang diễn ra thường xuyên hơn, gây ảnh hưởng

đến môi trường và sinh vật biển. Theo số liệu thống kê của Cục Môi trường, từ năm 1987 đến năm

2007 đã xảy ra hơn 90 vụ tràn dầu ở các vùng cửa sông và ven bờ gây thiệt hại lớn về kinh tế cũng

như gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng trong thời gian dài [22].

Việc xử lý dầu tràn có nhiều biện pháp như: Cơ học, hoá học và sinh học. Trong đó biện pháp

hoá học cụ thể là sử dụng chất hấp phụ từ nông nghiệp cho thấy tiềm năng rất lớn, bởi việc vừa

hạn chế được các phế phẩm nông nghiệp thải ra môi trường vừa khắc phục được các vấn đề ô

nhiễm dầu.

Ở nước ta chuối là loại trái cây có diện tích và sản lượng tương đối cao, chiếm 19% tổng diện tích

cây ăn trái của Việt Nam hàng năm, cho sản lượng khoảng 1,4 triệu tấn/năm [15]. Trong đó, diện

tích trồng chuối chủ yếu tập trung ở các tỉnh miền Trùng và miền Nam, một số tỉnh như Thanh Hóa,

Nghệ An, Khánh Hòa, Đồng Nai, Sóc Trăng, Cà Mau có diện tích từ 3.000 ha đến gần 8.000 ha.

Trong khi đó, các tỉnh miền Bắc có diện tích trồng chuối lớn nhất như: Hải Phòng, Nam Định, Phú

Thọ… chưa đạt đến 3.000 ha [15]. Vỏ chuối chiếm 18 - 33% trọng lượng của quả chuối, theo đó sản

lượng sản xuất chuối từ 8 – 10 tấn/ngày cho thấy tiềm năng nguồn nguyên liệu đầu vào rất lớn.

Một trong những yếu tố quan trọng của các chất hấp phụ tự nhiên là thành phần cellulose chiến tỷ

lệ cao. Theo đó, thành phần cellulose của vỏ chuối chiếm khoảng 4,5 – 4,6% khối lượng, thành

phần cấu tạo chính là các hợp chất polime được hợp thành từ các mắt xích β-glucozơ nối với nhau

282

bởi các liên kết β-1,4-glicozit, phân tử cellulose không phân nhánh, không xoắn dẫn đến vỏ chuối

có độ xốp cao thích hợp để làm vật liệu hấp phụ [15]. Với những yếu tố trên, cho thấy vỏ chuối có

nhiều tiềm năng trong việc ứng dụng làm vật liệu hấp phụ dầu.

Bảng 1: So sánh giữa vỏ chuối và chất hấp thụ dầu tràn hiện tại [6]

Vật liệu hấp thụ

Bông (Cotton)

Rơm lúa mạch

Trấu

Khả năng hấp thụ (g/g)

37,9 ± 2,6

7-12

6-10

Giấy thải

8-9,5

4,5-8,5

5-7

Mạt cưa

Vỏ chuối

Lõi bắp

5-7

Bã mía

3-6

Đất sét

3,4-4

2-4

Rơm lúa mì

Vỏ hành tây

Vỏ tỏi

0.455

0.385

2 CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN

Hossain M.A. và cộng sự (2012), đã nghiên cứu sử dụng vỏ chuối để hấp phụ ion Cu²⁺và kết quả

cho thấy giá trị pH tối ưu là 6 sẽ cho dung lượng hấp phụ cực đại là 28 mg/g [11].

Đặng Văn Phi (2012) thuộc Trường Đại học Đà Nẵng cũng nghiên cứu việc biến tính vỏ chuối bằng

acid citric để hấp phụ hai ion là Cu²⁺và Pb²⁺. Kết quả thu được là khả năng hấp phụ của vỏ chuối

biến tính ở điều kiện pH tối ưu là 6 và thời gian cân bằng hấp phụ là 60 phút đối với cả hai ion Cu²⁺

và Pb²⁺là cao hơn nhiều so với nguyên liệu ban đầu. Dung lượng hấp phụ cực đại đối với ion Cu²⁺

là 7,704 mg/g và 24,272 mg/g đối với ion Pb²⁺[5].

Arunakumara và cộng sự (2013), đã sử dụng vỏ chuối để hấp phụ các ion kim loại như: Pb²⁺, Ni²⁺,

Zn²⁺, Cu²⁺, Co²⁺. Kết quả nghiên cứu cho thấy dung lượng hấp phụ cực đại cao nhất đối với ion Pb²⁺,

khoảng 7,97 mg/g. Dung lượng hấp phụ hđối với các ion còn lại như: Ni²⁺, Zn²⁺, Cu²⁺, Co²⁺lần lượt

là: 6,88 mg/g; 5,8 mg/g; 4,75 mg/g; 2,55 mg/g [3].

M.N.A. Al-Azzawi và cộng sư (2013) cũng nghiên cứu dùng vỏ chuối làm vật liệu hấp phụ các ion

kim loại Cr³⁺, Ni²⁺, Zn²⁺. Kết quả nghiên cứu chỉ ra ở nhiệt độ 25^oC và pH bằng 5, dung lượng hấp

phụ cực đại của Cr³⁺là 76 mg/g; Ni²⁺là 19 mg/g và Zn²⁺là 66 mg/g [12].

Zahra Abbasi và cộng sự (2013), dùng vỏ chuối để hấp phụ ion Co²⁺và Ni²⁺. Kết quả cho thấy dung

lượng hấp phụ cực đại đối với Co²⁺là 9,02 mg/g; Ni²⁺là 8,91 mg/g [20].

283

M.S. Mahmoud (2014) đã sử dụng vỏ chuối để hấp phụ ion Mn²⁺. Kết quả cho thấy khả năng hấp

phụ ion Mn²⁺đạt tối ưu sau khi khuấy 1 giờ, nhiệt độ và pH tối ưu lần lượt là 22^oC và 5. Dung lượng

hấp phụ cực đại là 11,806 mg/g [13].

Ngoài ra, G. Alaa El-Din và cộng sự (2018) đã chỉ ra rằng, vỏ chuối có khả năng hấp phụ dầu tương

đối tốt nhất ở điều kiện 25^oC, kích thước hạt trung bình 0,3625 mm, thời gian hấp phụ là 15 phút với

mẫu nước biển nhân tạo 3,5% và độ dày màng dầu là 5 mm. Cụ thể, khả năng hấp phụ dầu tối đa

đối với dầu khí và dầu thô sau quá trình phòng hoá một ngày và 7 ngày lần lượt là 5,31; 6,35;

6,63 g/g vật liệu. Bên cạnh đó, vật liệu có thể tái sử dụng được 10 lần với hiệu suất xử lý hơn 50% [6].

Hầu hết các nghiên cứu đều tập trung vào ứng dụng vỏ chuối để hấp phụ các ion KLN trong nước

[3], [5], [11], [12], [13], [20], trong đó chỉ có nghiên cứu của G. Alaa El-Din và cộng sự (2018) sử dụng vỏ

chuối để làm vật liệu hấp phụ dầu [6]. Tuy nhiên, khả năng hấp phụ dầu chưa cao. Do đó, trong

nghiên cứu này, chúng tôi đề xuất quy trình xử lý vỏ chuối biến tính với acid oleic nhằm tăng khả

năng hấp phụ dầu của vật liệu và hạn chế khả năng ưa nước của vật liệu.

3 ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU

Từ những phân tích như trên, vỏ chuối sẽ được tiền xử lý hoá học với kiềm, acid sau đó sẽ được biến

tính với acid oleic. Theo đó, mục đ ch của việc xử lý kiềm nhằm để loại bỏ lignin, sáp, pectin, lớp

phủ và làm lộ ra bề mặt bên trong của sợi tự nhiên giúp tăng khả năng hấp phụ dầu (Wahi và cộng

sự., 2013, Abdullah và cộng sự., 2010) [1]; trong khi đó, việc xử lý vật liệu bằng acid sẽ ngăn chặn sự

phơi nhiễm và tăng các nhóm cellulose hydrôxyl của thành sợi xơ vỏ chuối [1]. Bên cạnh đó, việc

gắn các phân tử acid oleic sẽ hình thành các liên kết este tạo thành các xúc tua bắt dầu, dẫn đến

gia tăng khả năng hấp phụ dầu đồng thời làm mất các nhóm hydrôxyl (OH^-) sẽ hạn chế khả năng

ưa nước của vật liệu [14].

Quy trình xử lý vật liệu vỏ chuối sử dụng để làm vật liệu hấp phụ dầu được đề xuất theo Hình 1. Vỏ

chuối sau khi được thu gom từ các cơ sở sản xuất sẽ được rửa sạch sẽ và xử lý sơ bộ để loại bỏ bụi

bẩn. Sau đó, vỏ chuối được sấy ở nhiệt độ 85  2^oC trong 24 giờ và hút ẩm, bảo quản ở nhiệt độ

phòng. Do trong vỏ chuối hàm lượng lignin chiếm từ 15 - 20% vậy nên nếu sấy ở nhiệt độ quá cao

thì vỏ chuối sẽ bị khét, nhiệt độ thích hợp để sấy vỏ chuối là 85^oC. Tiếp theo, vỏ chuối sẽ được

nghiền và cho qua các rây có kích thước khác nhau từ 0,15 – 0,3 mm. Vật liệu vỏ chuối thô sẽ được

ngâm trong dung dịch kiềm (NaOH) và tiếp tục được ngâm trong dung dịch acid (H₂SO₄), sau đó rửa

vật liệu cho đến khi pH trung tính. Vật liệu sau khi được xử lý hóa học sẽ được biến tính với acid

oleic với các tỷ lệ vỏ chuối/acid oleic = 1/0,4 đến 1/1 đến theo khổi lượng. Sau đó, vật liệu được rửa

sạch nhiều lần bằng n-hexan để loại bỏ acid oleic dư thừa. Cuối cùng, vật liệu được bảo quản

trong hũ/túi nilon.

284

Vỏ chuối

Xử lý sơ bộ

Sấy (85  2^oC)

Nghi

ề

n

Rây

Sấy lần 2 (85  2^oC)

Vật liệu thô

Xử lý hóa học

Vật liệu hấp phụ

tự nhiên

Biến tính với acid

oleic

Vật liệu hấp phụ

biến tính

Khảo sát bề mặt hình thái qua ảnh: SEM, TEM, FTIR

Khảo sát khả năng hấp phụ

Xác định các yếu tố ảnh hưởng

Ứng dụng xử lý nguồn nước

nhiễm dầu

Hình 1: Sơ đồ nghiên cứu

Để đánh giá khả năng hấp phụ của vỏ chuối, các vật liệu hấp phụ được chế tạo từ vỏ chuối bao

gồm vật liệu thô và vật liệu biến tính với acid oleic sẽ được chụp SEM (Kính hiển vi điện tử quét), FTIR

(Quang phổ hồng ngoại) và quan sát dưới kính hiển vi để xác định hình thái bề mặt. Sau đó, được

chụp ảnh TEM (Kính hiển vi điện tử truyền qua), FTIR để xác định sự hình thành các liên kết. Tiếp

theo, áp dụng phương pháp: Xác định dầu mỡ tổng (SMEWW 5520 OIL AND GREASE B2012) để xác

285

định được dung lượng hấp phụ qua các thí nghiệm khảo sát dung lượng hấp phụ cực đại, các yếu

tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ của vỏ chuối.

4 KẾT QUẢ NHIÊN CỨU Ơ BỘ

Tiến hành thí nghiệm cho 1g vật liệu hấp phụ vào trong 100 ml mẫu nước nhiễm dầu giả định với

váng dầu dày 5 mm, thời giap hấp phụ là 20 phút. Sau đó, tách vật liệu hấp phụ ra khỏi dung dịch

bằng phương pháp lọc nhanh và xác định hàm lượng dầu còn lại trong nước sau hấp phụ.

Hình 1: Cho vật liệu vào trong mẫu nước nhiễm dầu giả định

Kết quả sơ bộ cho thấy khả năng hấp phụ dầu của 3 mẫu vật liệu hấp phụ: vật liệu thô, vật liệu xử

lý hóa học, vật liệu biến tính như sau:

Bảng 2: Kết quả nghiên cứu sơ bộ

Mẫu

Lượng dầu ban đầu (g) Lượng dầu còn lại (g) Lượng dầu hấp phụ (g)

Vật liệu hấp phụ thô

Vật liệu xử lý hóa học

Vật liệu biến tính

8.012

8.037

8.126

6,78

5,61

4

1.232

2.427

4.146

6 KẾT LUẬN

Qua các đánh giá ban đầu dựa trên các tài liệu liên quan và quá trình khảo sát ban đầu qua các

thí nghiệm cơ bản, vỏ chuối có cấu trúc gồm nhiều sợi cellulose, đây là một cấu trúc tiền đề cho

việc sử dụng làm vật liệu hấp phụ dầu. Các nghiên cứu thực tế cho thấy vỏ chuối bản chất đã có

thể hấp phụ dầu tương đối tốt, nhưng do bản chất đây là loại vật liệu hữu cơ có nguồn gốc tự nhiên

nên có khối riêng lớn làm cho khả năng nổi được của vật liệu trong môi trường nước kém, dẫn đến

hiệu quả hấp phụ dầu chưa ở mức tốt nhất và khả năng thu gom sau xử lý gặp nhiều khó khăn.

Tuy nhiên, đối với vỏ chuối đã bổ sung acid oleic thì khả năng hấp phụ dầu có thể sẽ được cải thiện

một cách đáng kể vì nó hạn chế đi các nhược điểm của vật liệu hấp phụ tự nhiên.

286

Vỏ chuối đến nay thường được coi là rác, giá trị kinh tế thấp có thể sử dụng làm vật liệu hấp phụ để

xử lý nước nhiễm dầu tốt khi được bổ sung thêm một số tác nhân hóa học. Nếu tân dụng được

nguồn nguyên liệu này để sử dụng làm vât liệu hấp phụ dầu thì sẽ là một hướng đi mới và có ý

ngh a bởi vì nguồn nguyên liệu có có sẵn và có sản lượng lớn tại Việt Nam.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]

Abdullah M., Muhammad Faez Mohd Kamaruzaman, Amirul Afif Zulkifli, Nur Haniza Md

Kamis1 and Nur Amirah Mohd Shahar, Oil removal using durian peel wastes: effect of

adsorbent condition, Malaysian Journal of Industrial Technology, Volume 1, No. 1, 2016, ISSN:

2462-2540

[2]

[3]

Ahmed Bayat, Seyed Foad Aghamiri, Ahmed Moheb, G. RezaVakili-Nezhaad, Oil spill

cleanup from sea water by sorbentmaterial, Chem. Eng. Technol. 28 (2005).

Arunakumara, Buddhi Charana Walpola, Min- Ho Yoon, Banana peel: A green solution

for metal removal from contaminated waters, Korean J Environ Agric Vol 32, No 2 (2013), pp.

108- 116

[4]

[5]

[6]

[7]

D. Sidiras, F. Batzias, I. Konstantinou, M. Tsapatsisb, Simulation of auto-hydrolysis effect on

adsorptivity of wheatstraw in the case of oil spill cleaning, Chem. Eng. Res. Des. (2014) 1–11

Đặng Văn Phi (2012), Nghiên cứu sử dụng vỏ chuối để hấp phụ một số ion kim loại nặng

trong nước, Luận văn thạc s , Trường Đại học Đà Nẵng.

G. Alaa El-Din, A.A. Amer, G. Malsh, M. Hussein (2018) Study on the use of banana peels for

oil spillremoval, Alexandria Engineering Journal (2018) 57, pp 2061-2068

Gerald Deschamps, Herve Caruel, Marie-Elisabeth Borredon, Christophe Bonnin, Chrstian

Vignoles, Oil Removal from Waterby Selective Sorption on Hydrophobic Cotton Fibers. 1.

Studyof Sorption Properties and Comparison with Other CottonFiber-Based Sorbents, Environ.

Sci. Technol. 37 (2003) 1013–1015.

[8]

[9]

I.M. Muhammad, U.A. El-Nafaty, S. Abdulsalam, Y.I. Makarfi, Removal of oil from oil produced

water usingEggshell, Civil Environ. Res. 2 (8) (2012).

Kudaybergenov Kenes, Ongarbayev Yerdos, MansurovZulkhair, Doszhanov Yerlan, Study on

the effectiveness ofthermally treated rice husks for petroleum adsorption, J. Non-Cryst. Solids

358 (2012) 2964–2969

[10] M. Husseien, A.A. Amer, Azza El-Maghraby, NeamaHamedallah, A comprehensive

characterization of corn stalkand study of carbonized corn stalk in dye and gas oil sorption, J.

Anal. Appl. Pyrol. 86 (2009) 360–363.

[11] M.A. Hossain, H. Hao Ngo, W.S. Guo, T.V. Nguyen (2012), Removal of Copper from water by

absorption onto banana peels as bioadsorbent, Int.J. of Geomate, Vol 2, pp. 227- 234

287

[12] M.N.A. Al- Azzawi, S.M. Shartooth, S.A.K. Al- Hiyaly (2013), The removal of Zinc, Nickel from

Industerial Waste- Water using banana peels, Iraqi Journal of science, Vol 54, No.1, pp. 72-

81.

[13] M.S. Mahmoud (2014), Banana peels as an Eco-sorbent for Manganese ions, International

Journal of Biomolecular, Agricultural, Food and Biotechnological Engineering, Vol 8, No 11

[14] Nam T.V., Nguyen T.T., Dung D.N., Phuong P.T.H., 2020, Esterified Durian Peel Adsorbents

with Stearic Acid for Spill Removal, Chemical Engineering Transactions, 78, 271-276.

[15] Nguyễn Thị Kiều Duyên (2016), Điều chế và khảo sát ứng dụng của vật liệu hấp phụ từ vỏ

chuối, Khóa luận tốt nghiệp, Trường Đại học Sư Phạm TP. Hồ Chí Minh

[16] Rafeah Wahi, Luqman Chuah Abdullah, Thomas ChoongShean Yaw, Zainab Ngaini, Mohsen

Nourouzi Mobarekeh, Oil removal from aqueous state by natural fibrous sorbent:

anoverview, Sep. Purzf. Technol. 13 (2013) 1–4

[17] Renata S. D. Castro (2011), Banana Peel Applied to the Solid Phase Extraction of Copper and

Lead from River Water: Preconcentration of Metal Ions with a Fruit Waste, I & EC, pp. 3446-

3451.

[18] Shariff Ibrahim, Ha-Ming Ang, Shaobin Wang, Removal ofemulsified food and mineral oils

from wastewater usingsurfactant modified barley straw, Biores. Technol. 100 (2009)5744–

5749.

[19] Teik-Thye Lim, Xiaofeng Huang, Evaluation of kapok (Ceibapentandra (L.) Gaertn.) as a natural

hollow hydrophobic–oleophilic fibrous sorbent for oil spill cleanup, Chemosphere 66(2007)

955–963.

[20] Z. Abbasi, M. Alikarami, E.R. Nezhad, F. Moradi, V. Moradi (2013), Adsorptive removal of Co²⁺

and Ni²⁺by peels of banana from aqueous solution, Universal Journal of chemistry 1(3): 90-

95.

[21] Những hậu quả ô nhiễm môi trường biển do tràn dầu [online], viewed 11/02/2016,

from:<http://www.vietnamplus.vn/nhung-hau-qua-o-nhiem-moi-truong-bien-do-tran-

dau/173158.vnp>.

[22] Báo cáo đề tài Ô nhiễm tràn dầu ở bờ biển miền Trung [online], viewed 15/06/2016,

from:<http://doc.edu.vn/tai-lieu/de-tai-o-nhiem-dau-tran-o-bo-bien-mien-trung-49268/>

288