Thạc Sĩ Nghiên cứu bán tổng hợp cacboxyl methyl cellulose (CMC) hòa tan từ cellulose thân tre và ứng dụng là

Luận văn thạc sĩ năm 2011
Đề tài: Nghiên cứu bán tổng hợp cacboxyl methyl cellulose (CMC) hòa tan từ cellulose thân tre và ứng dụng làm chất ức chế ăn mòn kim loại

Trang phụ bìa Lời cam đoan Mục lục
Danh mục các bảng Danh mục các hình
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 4
1.1. Thành phần hóa học của gỗ 4
1.1.1. Hydratcacbon . 4
1.1.2. Lignin . 6
1.1.3. Các chất trích ly (chất hòa tan) 8
1.1.4. Chất vô cơ 8
1.2. Tre xanh . 9
1.2.1. Phân loại khoa học . 9
1.2.2. Đặc điểm sinh thái 9
1.2.3. Thu hoạch và lọc nhựa . 10
1.2.4. Thành phần hóa học . 11
1.3. Đại cương về cacboxyl methyl cellulose 12
1.3.1. Khái niệm về cacboxylmethyl cellulose . 12
1.3.2. Tổng hợp CMC 13
1.3.3. Tính chất của CMC 13
1.3.4. Ứng dụng của CMC . 14
1.4. Phương pháp tách cellulose (bột giấy) . 15
1.4.1. Phương pháp tách cellulose 15
1.4.2. Phản ứng của hydratcacbon và lignin trong môi trường kiềm . 16
1.3.3. Phản ứng hóa học trong quá trình nấu bột sunfat . 20
1.5. Lý thuyết về ăn mòn kim loại và bảo vệ kim loại 21
1.5.1. Ăn mòn kim loại . 21
1.5.2. Các phương pháp bảo vệ kim loại . 30
CHƯƠNG 2. NHỮNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM . 39
2.1. Tách cellulose từ thân tre . 39
2.1.1. Nguyên liệu 39
2.1.2. Xử lý hóa bằng phương pháp sunfat (phương pháp Kraft) . 39
2.1.3. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tách cellulose từ
thân tre . 41
2.1.4. Tẩy trắng bột cellulose thô . 41
2.1.5. Phân tích sản phẩm cellulose thân tre bằng phương pháp phân tích
phổ hồng ngoại (IR) 43
2.2. Bán tổng hợp cacboxyl methyl cellulose từ cellulose thân tre . 43
2.2.1. Bán tổng hợp CMC 44
2.2.2. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình bán tổng hợp
CMC . 45
2.2.3. Phân tích sản phẩm CMC bán tổng hợp từ cellulose thân tre . 46
2.3. Khảo sát khả năng ức chế ăn mòn kim loại của cacboxyl methyl cellulose . 46
2.3.1. Thiết bị đo 46
2.3.2. Điện cực và hoá chất 47
2.3.3. Phương pháp chuẩn bị bề mặt . 47
2.3.4. Phương pháp nghiên cứu . 48
2.4. Phương pháp xử lý số liệu . 51
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 52
3.1. Ảnh hưởng của các yếu tố đến quá trình tách cellulose từ thân tre 52
3.1.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố đến quá trình nấu tre theo
phương pháp sunfat (phương pháp Kraft) 52
3.1.2. Tẩy trắng bột cellulose thô . 57
3.1.3. Phân tích sản phẩm cellulose thân tre bằng phương pháp phân tích
phổ hồng ngoại (IR) 58

3.2. Ảnh hưởng của các yếu tố đến quá trình bán tổng hợp cacboxyl methyl
cellulose . 60
3.2.1. Ảnh hưởng của nồng độ NaOH đến mức độ thế của CMC 60
3.2.2. Ảnh hưởng của thời gian kiềm hóa đến mức độ thế của CMC . 61
3.2.3. Anh hưởng của tỉ lệ mol ClCH[SUB]2[/SUB]COONa/cellulose đến mức độ thế của
CMC 63
3.2.4. Anh hưởng của thời gian cacboxyl hóa đến mức độ thế của
CMC 64
3.3. Phân tích sản phẩm cacboxyl methyl cellulose 66
3.4. Khảo sát khả năng ức chế ăn mòn kim loại của cacboxyl methyl
cellulose . 68
3.4.1. Đường cong phân cực của thép trong dung dịch NaCl 3,5% khi
không có chất ức chế 68
3.4.2. Anh hưởng của thời gian ngâm thép trong dung dịch CMC đến tính
chất ức chế ăn mòn . 68
3.4.3. Anh hưởng của nồng độ dung dịch CMC đến tính chất ức chế ăn
mòn kim loại . 72
KẾT LUẬN 76
TÀI LIỆU THAM KHẢO . 78


MỞ ĐẦU
1. LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Từ lâu, con người đã biết sử dụng tre để làm nhà, làm đũa, làm máng nước, vật dụng nông nghiệp. Tre non làm thức ăn, tre khô làm củi đun, . Ngày nay, tre còn được dùng làm nguyên liệu sản xuất giấy và thuốc chữa các bệnh hen suyễn, ho và thuốc chữa bệnh về đường sinh dục. Tre có tên khoa học là Bambusa Arundinacea, có mặt ở nhiều nơi trên thế giới và ở khắp các làng quê Việt Nam. Trong công nghiệp tre dùng để sản xuất bột giấy (bột cellulose) vì có nhiều ưu điểm như phát triển nhanh, tiêu tốn ít hóa chất.
Từ bột cellulose, có thể sản xuất giấy hoặc làm nguyên liệu để tổng hợp nhiều loại sản phẩm khác, trong đó có cacboxyl methyl cellulose (CMC).
Cacboxyl methyl cellulose là chất được tổng hợp từ alcalicellulose và natri cloaxetat, có nhiều ứng dụng thực tế: làm chất phụ gia trong công nghiệp tẩy rữa, bảo vệ bùn dùng trong khoang mỏ dầu khí, làm tăng độ dẻo cho đất sét, làm chất trao đổi ion, .
Ăn mòn kim loại là hiện tượng phá hủy vật liệu kim loại do tác dụng hóa học hoặc tác dụng điện hóa của kim loại với môi trường bên ngoài. Chống ăn mòn kim loại là vấn đề cấp bách về mặt công nghệ. Có nhiều phương pháp để chống ăn mòn kim loại, trong đó có việc sử dụng các chất ức chế ăn mòn. Hiện nay, các nhà khoa học đang quan tâm đến việc sử dụng các chất ức chế xanh, sạch, thân thiện với môi trường.
CMC đã được nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, tuy nhiên chúng tôi chưa tìm thấy tài liệu về khả năng ức chế ăn mòn kim loại của CMC. Do vậy, chúng tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu bán tổng họp cacboxyl methyl cellulose (CMC) hòa tan từ cellulose thân tre và ứng dụng làm chất ức chế ăn mòn kim loại” để nghiên cứu khả năng bán tổng hợp CMC từ cellulose tách từ thân tre và khả năng ức chế ăn mòn kim loại của CMC.
2. MỤC TIÊU NGHIÊN cứu
- Tách cellulose từ thân tre.
- Tổng hợp cacboxyl methyl cellulose từ cellulose tách từ thân tre và natri cloaxetat.
- Nghiên cứu tính chất ức chế ăn mòn kim loại của cacboxyl methyl cellulose tổng hợp được.
3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN cứu
3.1. Đối tượng: Tre xanh
3.2. Phạm vi nghiên cứu: Quy mô phòng thí nghiệm.
4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN cứu
4.1. Nghiên cứu lý thuyết
- Phân tích và tổng hợp lý thuyết: nghiên cứu cơ sở khoa học của đề tài.
- Nghiên cứu giáo trình và tài liệu tham khảo có liên quan đến đề tài.
- Trao đổi với giáo viên hướng dẫn.
- Dùng toán học thống kê để xử lý kết quả.
4.2. Nghiên cứu thực nghiệm
- Tách cellulose từ thân tre.
- Bán tổng hợp cacboxyl methyl cellulose (CMC).
- Xác định cấu trúc của CMC bằng
+ Xác định mức độ thế DS.
+ Phương pháp phân tích phổ hồng ngoại (IR).
- Khả năng ức chế ăn mòn kim loại của CMC bằng phương pháp điện hóa.
5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THựC TIỄN
5.1. Ý nghĩa khoa học
- Nghiên cứu tổng hợp cacboxyl methyl cellulose từ thân tre.
- Nghiên cứu khả năng ức chế ăn mòn của cacboxyl methyl cellulose.
5.2. Ý nghĩa thực tiễn
Kết quả nghiên cứu của đề tài góp phần cung cấp tư liệu cho những nghiên cứu về khả năng ức chế ăn mòn kim loại của các chất ức chế xanh thân thiện với môi trường ở nước ta hiện nay.
6. CẤU TRÚC LUẬN VĂN
Mở đầu
Chương 1: Tổng quan lý thuyết Chương 2: Những nghiên cứu thực nghiệm Chương 3: Kết quả và thảo luận Kết luận

CHƯƠNG1 TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
1.1. THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA GỖ [2], [7]
Trong gỗ có hai thành phần cấu trúc cơ bản là hydratcacbon và lignin. Trong hydratcacbon có cellulose và hemicellulose, chúng khác nhau về trọng lượng phân tử, cấu trúc, tính chất hóa học .
Tổng quát, gỗ chứa 60 - 80% hydrat cacbon gồm cellulose và hemicellulose. 20 - 40% hợp chất phenolic - gồm lignin và các chất nhựa và chất mang màu. Lignin là thành phần chủ yếu gây ra những khó khăn cho sản xuất cellulose.
1.1.1. Hydratcacbon
1.1.1.1. Cellulose
Cellulose là một polyme sinh học quan trọng và phổ biến, về cấu tạo, cellulose có cấu tạo mạch thẳng, bao gồm các đơn vị D-glucopyrano, liên kết với nhau bằng liên kết ị3-l,4-glucozit.

Số momome có thể đạt từ 2000 đến 10.000 (có thể lên đến 150.000 đối với cotton), độ trùng hợp này tương đương với chiều dài phân tử từ 5,2 - 7,7 mm. Sau khi thực hiện quá trình nấu gỗ với tác chất (phương pháp sản xuất bột hóa học) độ trùng hợp còn khoảng 600 - 1500. Mạch đại phân tử cellulose có cấu trúc mạch thẳng và có cấu dạng hình ghế.
Các mạch phân tử này tập hợp kề nhau và liên kết với nhau nhờ liên kết
hydro thành cấu trúc vi sợi. Có khoảng 65 - 73% cellulose ở trạng thái kết tinh. Phần cellulose vô định hình là phần khá nhạy với nước và một số tác chất hóa học.
Cellulose không tan trong nước, trong kiềm hay axit loãng. Nhưng có thể bị phân hủy bằng phản ứng thủy phân và bị oxy hóa bởi dung dịch kiềm đặc ở nhiệt độ lớn hơn 150°c.
Gỗ là nguồn chủ yếu cung cấp cellulose. Cellulose trong gỗ liên kết với các chất khác như hemicellulose, lignin, các chất nhựa, .
1.1.1.2. Hemicellulose
Hemicellulose là những hydratcacbon loại polysaccarid dị thể. Các đơn vị cơ sở có thể là đường hexose (D-glucozose, D-mantozose, D-galactose) hoặc đường pentosoe (D-xylose, L-arabinose, D-arabinose), đề oxyhexose.
Độ bền hóa học và độ bền nhiệt của hemixenlulose thấp hơn so với xenlulose, vì chúng có độ kết tinh và độ trùng hợp thấp hơn (độ trùng hợp < 90). Đặc trưng của nó là tan trong dung dịch kiềm loãng (y-xenlulose). So với xenlulose nó dễ bị thủy phân hơn rất nhiều trong môi trường kiềm hoặc axit.
Hemixenlulose thường tồn tại ở mạch nhánh, ở trạng thái vô định hình. Còn những phân tử hemixenlulose mạch thẳng giống xenlulose thì có một phần ở trạng thái kết tính.
Có 3 loại hemixenlulose:
- Đơn giản: có thể tách ra dưới tác dụng của các hóa chất dùng trong quá tình nấu gỗ.
- Phức tạp: loại này liên kết chặt chẽ với lignin và do vậy cần có những phản ứng hòa tan lignin khá manh.
- Cellulosan: là những hexose và pentose liên kết khá chặt chẽ với cellulose.
Thành phần hemicellulose của các loại bột gỗ thương mại thì khác xa so với hemicellulose trong gỗ ban đầu vì hemicellulose đã bị tách đi trong hầu hết các phương pháp xử lý bột.
Trong xử lý suníít thì một phần hemicellulose bị thủy phân thành đường đơn.
Trong xử lý sunfat, một phần hemicellulose bị chuyển thành axit saccharinic có thể được tách đi khi rửa bột, hoặc có thể hấp phụ lên sợi.
1.1.1.3. a, p, y cellulose
Có một định nghĩa khác cho thành phần hóa học của cacbon hydrat liên quan đến độ bền kiềm, là các a, p, Y - cellulose.
a - cellulose là phần cellulose không tan trong dung dịch NaOH nguội 17,5%. Đại lượng này là thông số quan trọng để điều chế các dẫn xuất cellulozơ hòa tan (như CMC, nitrat xenlulose, .).
p - cellulose là phần hemicellulose mạch ngắn (độ trùng hợp DP = 15 - 90). Có khả năng tan trong dung dịch NaOH nguội 17,5%, nhưng sau đó kết tủa khi chuyển sang môi trường axit.
y - cellulose là phần vẫn hòa tan sau khi chuyển sang môi trường axit. y - cellulose thực ra là phần hemicellulose có DP rất thấp (< 15) được cấu tạo từ những đơn vị khác với glucose.
1.1.2. Lignin
Lignin là nhựa nhiệt dẻo, mềm đi dưới tác dụng của nhiệt độ và bị hòa tan trong một số hợp chất hóa học. Trong gỗ, bản thân lignin có màu trắng. Lignin có cấu trúc phức tạp, là một polyphenol có mạng không gian mở. Thành phần thay đổi theo từng loại gỗ, tuổi cây hoặc vị trí của nó trong gỗ. cấu trúc đơn vị cơ bản là phenyl propan. Từ đơn vị cơ bản là phenyl propan và cấu trúc điển hình được đề nghị cho lignin là Guaicyl propan (G), Syringyl propan (S) và Parahydroxylphenyl propan (P).

4. Kết quả phân tích phổ hồng ngoại của CMC bán tổng họp từ cellulose thân tre cho thấy sự xuất hiện các pic đặc trưng của các nhóm chức cacboxy và metyl, chứng tỏ đã ghép thành công nhóm cacboxyl methyl vào cellulose thân tre.
5. Đã khảo sát được tính chất ức chế ăn mòn kim loại của CMC:
CMC có tính chất ức chế ăn mòn kim loại. Với thời gian ngâm thép là 20 phút trong dung dịch CMC 60 mg/1 thì hiệu quả ức chế ăn mòn thép CT3 trong dung dịch NaCl 3,5% là cao nhất và đạt 51,25%.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
[1] . Nguyễn Duy Ái, Nguyễn Tinh Dung, Trần Thành Huế, Trần Quốc Sơn, Nguyễn Văn Tòng (2009), Một số vấn đề chọn lọc của Hóa học (tập 1), NXB Giáo dục.
[2] , Nguyễn Thị Ngọc Bích (2003), Kỹ thuật xenlulô và giấy, NXB Đại học quốc gia Tp. Hồ Chí Minh.
[3] . Phan Lương cầm (1985), Ẩn mòn và bảo vệ kim loại, Đại học Kỹ thuật Delf, Hà Lan.
[4] , Nguyễn Hữu Đỉnh, Đỗ Đình Rãng (2007), Hóa học hữu cơ (tập ỉ), NXB Giáo dục.
[5] . Lê Tự Hải (2003), Giáo trình điện hóa học, ĐH Sư phạm Huế.
[6] . Nguyễn Đình Phổ (1980), Ấn mòn và bảo vệ kim loại, NXB Tp. Hồ Chí Minh.
[7] . Hồ Sĩ Tráng (2006), Cơ sở hóa học gỗ và xenluloza (tập 1,2), NXB Khoa học và Kỹ thuật.
[8] . Nguyễn Đình Triệu (2001), Các phương pháp phân tích vật lý và hóa lý (tập ỉ), NXB Khoa học và Kỹ thuật.
[9] . Nguyễn Văn Tuế (2001), Ẩn mòn và bảo vệ kim loại, NXB Giao Dục.
[10] . Nguyễn Minh Tuyển, Quy hoạch thực nghiệm, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
[11] . Alain Galeire - Nguyễn Văn Tư (2002), Ấn mòn và bảo vệ vật liệu, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
Tiếng Anh
[12] , Bamboo, Bamboo - Wikipedia, the free encyclopedia.
[13] . CMC knowledge, http://www.lihong.ne1/en/RD/PACCMCknowledge/ CMCknowledge/tabid/l 3 8/Default.aspx.