Nghiên cứu chiết tách lignin từ rơm rạ và ứng dụng làm chất ức chế chống ăn mòn kim loại

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM

NGUYỄN THỊ TRÀ MY

NGHIÊN CỨU CHIẾT TÁCH LIGNIN

TỪ RƠM RẠ VÀ ỨNG DỤNG LÀM CHẤT

ỨC CHẾ CHỐNG ĂN MÒN KIM LOẠI

Chuyên ngành: Hóa hữu cơ

Mã số : 84.40.11.14

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

Đà Nẵng - Năm 2018

Công trình được hoàn thành tại

Trường Đại học Sư phạm - ĐHĐN

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS. LÊ TỰ HẢI

Phản biện 1: TS. Võ Thắng Nguyên

Phản biện 2: TS. Vũ Thị Duyên

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt

nghiệp Thạc sĩ Hóa học họp tại Trường Đại học Sư phạm –

ĐHĐN vào ngày 6 tháng 10 năm 2018

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng;

- Thư viện trường Đại học Sư phạm, Đại học Đà Nẵng.

1

MỞ ĐẦU

1. LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Như đã biết, rơm rạ là dạng phế phụ phẩm nông nghiệp có

tiềm năng trữ lượng lớn. Nhưng chỉ có khoảng 20 % rơm rạ được sử

dụng để sản xuất etanol, giấy, phân bón và thức ăn gia súc và số còn

lại được loại bỏ khỏi thực địa, đốt tại chỗ hoặc trải ra ngoài đồng, kết

hợp trong đất hoặc được sử dụng làm mùn cưa cho vụ mùa sau. Ở

nước ta, ước tính mỗi năm có thể thu gom và tận dụng trên dưới 50

triệu tấn rơm rạ từ nhiều giống lúa khác nhau, trên khắp các vùng

miền trên cả nước.

Ăn mòn kim loại là hiện tượng phá hủy các vật liệu do tác

dụng hóa học hoặc tác dụng điện hóa giữa kim loại với môi trường

bên ngoài kim loại. Ăn mòn kim loại là một trong những vấn đề đang

được quan tâm hiện nay, liên quan đến tất cả khía cạnh cuộc sống của

chúng ta. Mỗi năm các nước phát triển như Anh, Pháp, Mỹ phải chi

trăm triệu USD để thay các thiết bị máy móc bị hư hỏng do ăn mòn

kim loại; trong khi đó, nước ta có khí hậu nhiệt đới nóng ẩm rất thích

hợp cho quá trình ăn mòn kim loại xảy ra.

Trong thực tế, có nhiều cách để giảm ăn mòn kim loại như

thay đổi bản chất hóa học của bề mặt vật liệu hoặc thay đổi môi

trường của vật liệu để làm giảm tốc độ của các phản ứng bề mặt vật

liệu và môi trường. Một trong những cách thay đổi môi trường của

vật liệu là bổ sung những lượng nhỏ các chất ức chế hóa học. Tuy

nhiên các chất ức chế thông thường chứa các hóa chất đặc biệt với

độc tính không nhỏ, gây ô nhiễm môi trường. Do đó, việc sử dụng

các chất ức chế ăn mòn thân thiện với môi trường được khuyến khích

nghiên cứu. Một trong các chất ức chế đó là lignin - một trong những

thành phần chính của rơm rạ, dự kiến sẽ đóng một vai trò quan trọng

trong tương lai gần như một nguyên liệu cho sản xuất các sản phẩm

sinh học và hóa chất, có khả năng ức chế ăn mòn kim loại thép.

2

Với những lí do như trên nên tôi chọn đề tài: “ Nghiên cứu

chiết tách lignin từ rơm rạ và ứng dụng làm chất ức chế chống ăn

mòn kim loại”.

2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

- Chiết tách được hợp chất lignin từ rơm rạ và xác định được

các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chiết tách lignin từ rơm rạ.

- Ứng dụng hợp chất lignin vào việc nghiên cứu ức chế ăn mòn

kim loại trong NaCl 3.5 % và HCl.

3. PHẠM VI VÀ ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

3.1. Phạm vi nghiên cứu

- Chiết tách hợp chất lignin từ rơm rạ.

- Ứng dụng của hợp chất lignin trong ức chế ăn mòn kim loại

trong dung dịch NaCl 3.5% và dung dịch HCl.

3.2. Đối tƣợng nghiên cứu

Hợp chất lignin được tách ra từ rơm rạ, khả năng ức chế ăn

mòn của nó đối với kim loại trong NaCl 3.5% và HCl.

4. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

4.1. Nghiên cứu lý thuyết

4.1. Nghiên cứu lý thuyết

- Tham khảo sách báo, tạp chí chuyên ngành, giáo trình liên

quan đến ăn mòn kim loại đặc biệt là ức chế ăn mòn kim loại.

- Tham khảo các sách, tài liệu về thực vật để đánh giá hàm

lượng lignin có trong các loại thực vật.

- Nghiên cứu lý thuyết chiết tách các chất hữu cơ qua các giáo

trình hay luận văn liên quan.

- Nghiên cứu các luận văn liên quan đến bảo vệ kim loại trong

các môi trường.

4.2. Nghiên cứu thực tiễn

- Nghiên cứu tìm ra quy trình và điều kiện chiết tách tối ưu

lignin từ rơm rạ.

3

- Phương pháp phổ IR để xác định sự có mặt các loại nhóm

chức có trong hợp chất lignin.

- Phương pháp xác định dòng ăn mòn.

- Phương pháp chụp SEM xác định bề mặt mẫu thép CT3.

- Phương pháp xử lí số liệu.

5. Ý Nghĩa Khoa Học Và Ý Nghĩa Thực Tiễn

5.1. Ý nghĩa khoa học

- Xác định các điều kiện tối ưu của quá trình tách chiết hợp

chất lignin từ rơm rạ.

- Khảo sát khả năng ức chế ăn mòn kim loại của hợp chất

lignin thu được.

5.2. Ý nghĩa thực tiễn

Nâng cao giá trị sử dụng của rơm rạ.

6. CẤU TRÚC LUẬN VĂN

Chương 1. Tổng quan lý thuyết

Chương 2. Nguyên liệu, nội dung và phương pháp nghiên cứu

thực nghiệm

Chương 3. Kết quả và thảo luận.

Kết luận và kiến nghị

Tài liệu tham khảo

4

CHƢƠNG 1

TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1. TỔNG QUAN VỀ RƠM RẠ

1.1.1. Giới thiệu chung về rơm rạ

1.1.2. Thành phần và tính chất của rơm rạ

1.1.3. Hiện trạng sử dụng rơm rạ tại Việt Nam và các nƣớc

trên thế giới

1.2. TỔNG QUAN LIGNIN

1.2.1. Khái quát tính chất của nguyên liệu lignoxenlulozơ

1.2.2. Giới thiệu chung về lignin

1.2.3. Cấu trúc phân tử của lignin

1.2.4. Tính chất vật lí của Lignin

1.2.5. Tính chất hóa chất hóa học của Lignin

1.2.6. Ứng dụng của lignin

1.3. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG

CÁC PHƢƠNG PHÁP THU NHẬN XENLULOZƠ VÀ TÁCH

LOẠI LIGNIN TỪ NGUYÊN LIỆU THỰC VẬT

1.3.1. Sử dụng rƣợu

1.3.2. Sử dụng các axit hữu cơ

1.4. LÝ THUYẾT ĂN MÒN KIM LOẠI

1.4.1 Định nghĩa ăn mòn kim loại

1.4.2. Phân loại quá trình ăn mòn

1.4.3. Ăn mòn của thép trong môi trƣờng nƣớc

a. Ăn mòn thép trong môi trường nước ngọt

b. Ăn mòn điện hóa trong nước biển

1.4.4. Các phƣơng pháp bảo vệ kim loại

a. Bảo vệ bằng tạo lớp bao phủ

b. Xử lý môi trường

1.5. MỘT SỐ CÔNG TRÌNH ĐÃ NGHIÊN CỨU VỀ LIGNIN

VÀ HỢP CHẤT CỦA LIGNIN TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT

NAM

5

CHƢƠNG 2

NGUYÊN LIỆU, NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

2.1. NGUYÊN LIỆU, HÓA CHẤT VÀ CÁC THIẾT BỊ

2.1.1. Nguyên liệu

Rơm gạo thu được từ đồng ruộng trên địa bàn huyện Điện Bàn,

tỉnh Quảng Nam được phơi khô dưới ánh mặt trời và cắt nhỏ thành

từng miếng. Sau khi sấy ở nhiệt độ 70oC trong 8 giờ, mẫu được xay

xát thành bột kích thước khoảng 1mm và bột tiếp tục được làm khô

trong 4h ở 700C và được lưu trữ trong máy hút ẩm.

Hình 2.1. Bột rơm rạ đã qua xử lí.

2.1.2. Hóa chất

- Dung dịch HCl, dung dịch NaCl 3.5%.

2.1.3. Dụng cụ - Thiết bị

a. Dụng cụ

- Bình tam giác, cốc thuỷ tinh, cốc sứ, bình định mức, ống

đong, phễu lọc, pipet, nhiệt kế, bình hút ẩm,…

b. Thiết bị

- Tủ sấy, lò nung, bếp điện, bếp cách thủy, cân phân tích, bộ

chiết chưng ninh, thiết bị đo PGS-HH10, chương trình

Potentiondyamic.

2.2. XÁC ĐỊNH MỘT SỐ CHỈ TIÊU HÓA LÝ

2.2.1. Xác định độ ẩm

2.2.2. Xác định độ tro

6

2.3. NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN QUÁ

TRÌNH CHIẾT TÁCH LIGNIN TỪ RƠM RẠ VÀ XÁC ĐỊNH

THÀNH PHẦN CÁC NHÓM CHỨC CỦA LIGNIN THU ĐƢỢC

2.3.1. Ảnh hƣởng của nồng độ axit HCl

Cân 10 g mẫu bột rơm vào bình cầu 250 mL ,cho 100mL dung

dịch HCl ở các nồng độ khác nhau 0.5M, 1M, 1.5M, 2M và 2.5 M.

Tiến hành thủy phân trong 1 giờ thích hợp ở nhiệt độ sôi của dung

môi. Sau khi thủy phân, tiến hành lọc và lấy dịch chiết đem cô đến

khô, cân khối lượng chất rắn thu được. Chọn nồng độ axit thích hợp

là nồng độ tương ứng với khối lượng cao lớn nhất.

2.3.2. Ảnh hƣởng của thời gian chiết

Cân 10 g mẫu bột rơm cho 100 mL dung dịch HCl nồng độ

thích hợp tiến hành thủy phân với các khoảng thời gian khác nhau 30,

45, 60, 75, 90 và 120 phút ở nhiệt độ thích hợp. Sau khi thủy phân,

tiến hành lọc và lấy dịch chiết đem cô đến khô, cân khối lượng chất

rắn thu được. Chọn thời gian chiết thích hợp là thời gian tương ứng

với khối lượng cao lớn nhất.

2.3.3. Ảnh hƣởng của tỉ lệ mẫu rơm: dung dịch HCl

Cân các khối lượng mẫu bột rơm khác nhau 10, 15, 20, 25, 30

và 35 g cho 100 mL dung dịch HCl nồng độ thích hợp, tiến hành thủy

phân trong thời gian và nhiệt độ thích hợp. Sau khi thủy phân, tiến

hành lọc và cô cạn các dịch chiết, thu được cao chiết ở các tỉ lệ rắn –

lỏng khác nhau, cân cao thu được. Chọn tỉ lệ rắn – lỏng thích hợp là

tỉ lệ rắn – lỏng tương ứng với khối lượng cao lớn nhất.

2.4. TÁCH LIGNIN RẮN

Tách lignin rắn: Sau khi khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá

trình chiết tách lignin, ta tiến hành chiết tách để thu được lượng

lignin với các điều kiện tối ưu thu được. Lignin thu được chưa tinh

khiết còn có chứa một số hợp chất khác.

7

2.5. NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỨC CHẾ ĂN MÒN KIM LOẠI

THÉP CỦA LIGNIN THU ĐƢỢC TỪ RƠM RẠ

2.5.1. Thiết bị đo

Sử dụng thiết bị đo PGS-HH10, chương trình

Potentiondyamic.

2.5.2. Phƣơng pháp chuẩn bị điện cực

a. Chuẩn bị điện cực

- Điện cực làm việc: được chế tạo từ thép CT3, diện tích bề mặt

làm việc 1cm2

. Dây dẫn bằng đồng được hàn vào chính giữa mẫu thép.

- Điện cực so sánh là Ag, AgCl, Cl￾và điện cực đối là điện cực

platin (Pt).

b. Gia công bề mặt điện cực

Gia công điện cực để có bề mặt phẳng, nhẵn đồng thời tẩy sạch

các lớp gỉ, các lớp dầu mỡ, các hợp chất háo học bám trên bề mặt

điện cực.

2.5.3. Hóa chất sử dụng

- Dung dịch NaCl 3.5 %

- Dung dịch axit HCl 0.1M, 0.5M, 1M.

- Dung dịch lignin tách được từ bột rơm rạ với các nồng độ 1

g/l, 2 g/l, 3 g/l, 4 g/l, 5 g/l.

2.5.4. Phƣơng pháp nghiên cứu

a. Phương pháp xây dựng đường cong phân cực

b. Phương pháp xác định điện trở phân cực

2.6. PHƢƠNG PHÁP CHỤP SEM XÁC ĐỊNH BỀ MẶT

8

CHƢƠNG 3

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. KẾT QUẢ XÁC ĐỊNH MỘT SỐ CHỈ TIÊU HÓA LÝ

3.1.1. Độ ẩm

Số lượng mẫu được lấy để xác định độ ẩm là 3 mẫu. Độ ẩm

chung là độ ẩm trung bình của 3 mẫu.

Kết quả xác định độ ẩm của mẫu bột rơm rạ được trình bày ở

Bảng 3.1.

Bảng 3.1. Kết quả xác định độ ẩm của bột rơm rạ

STT m0 (g) m1 (g) m2 (g) U(%)

1 35.069 1.009 35,989 8.814

2 39.007 1.010 39.929 8.678

3 35.477 1.004 36.391 8.937

Độ ẩm trung bình UTB(%) 8.809

 Nhận xét: Độ ẩm trung bình của bột rơm rạ khô là 8.809

%, đây là độ ẩm tương đối an toàn. Với độ ẩm này, bột rơm rạ khô có

thể giữ được chất lượng tốt khi bảo quản trong thời gian dài mà

không bị ẩm mốc, nguyên liệu có tính ổn định tương đối cao.

3.1.2. Hàm lƣợng tro

Lấy 3 mẫu đã xác định độ ẩm ở trên để xác định hàm lượng

tro. Hàm lượng tro được lấy trung bình từ 3 mẫu trên. Kết quả xác

định hàm lượng tro trong bột rơm rạ khô được trình bày ở Bảng 3.2.

Bảng 3.2. Kết quả xác định hàm lượng tro của bột rơm rạ khô

STT m0 (g) m1(g) m3(g) H (%)

1 35.069 1.009 35.195 12.507

2 39.007 1.010 39.134 12.662

3 35.477 1.004 35.603 12.587

Hàm lƣợng tro trung bình HTB(%) 12.585

 Nhận xét: Vậy hàm lượng tro trung bình là 12.585%. Từ

bảng trên ta thấy, trong bột rơm rạ khô có chứa hàm lượng lớn chất

9

hữu cơ và một lượng rất nhỏ các chất vô cơ, trong đó có thể có mặt

các muối của một số kim loại.

3.2. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG

ĐẾN QUÁ TRÌNH TÁCH CHIẾT LIGNIN TỪ RƠM RẠ

3.2.1. Kết quả khảo sát ảnh hƣởng của nồng độ axit HCl

đến quá trình tách chiết lignin

Để khảo sát sự phụ thuộc của khả năng tách chiết lignin từ rơm

rạ tối ưu vào nồng độ axit HCl, thí nghiệm được tiến hành với các

thông số như sau:

- Khối lượng rơm rạ: 10 gam

- Nhiệt độ nấu: 86oC

- Thời gian chiết: 60 phút.

- Thể tích dung dịch HCl: 100 mL.

- Nồng độ axit HCl khảo sát: 0.5M, 1M, 1.5M, 2M, 2.5M.

Kết quả thu được của thời gian chiết được trình bày ở Bảng 3.3.

Bảng 3.3. Ảnh hưởng của nồng độ axit HCl đến tách chiết lignin từ

rơm rạ

STT Nồng độ axit HCl (M) Khối lƣợng rắn (g)

01 0.5 0.124

02 1 0.156

03 1.5 0.215

04 2 0.268

05 2.5 0.259

Từ Bảng 3.3 ta có đồ thị:

Nhận xét: Kết quả thu được cho thấy khi thay đổi nồng độ dung

dịch HCl từ 0.5M đến 2M thì khối lượng lignin tách ra tăng dần nhưng

sau đó càng tăng nồng độ axit thì lượng lignin tách chiết được giảm

dần.Vậy hiệu suất tách lignin từ bột rơm rạ cao nhất với nồng độ

dung dịch HCl là 2M.