Nghiên cứu điều chế và sử dụng một số hợp chất chitosan biến tính để tách và làm giàu các nguyên tố hóa học (U(VI), Cu(II), Pb(II), Zn(II) và Cd(II))

Nghiên cứu điều chế và sử dụng một số hợp chất chitosan biến tính để tách và làm giàu các nguyên tố hóa học (U(VI), Cu(II), Pb(II), Zn(II) và Cd(II))

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM    HỒ THỊ YÊU LY NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ VÀ SỬ DỤNG MỘT SỐ HỢP CHẤT CHITOSAN BIẾN TÍNH ĐỂ TÁCH VÀ LÀM GIÀU CÁC NGUYÊN TỐ HÓA HỌC (U(VI), Cu(II), Pb(II), Zn(II) và Cd(II)) LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA PHÂN TÍCH ĐÀ LẠT - 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM    HỒ THỊ YÊU LY NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ VÀ SỬ DỤNG MỘT SỐ HỢP CHẤT CHITOSAN BIẾN TÍNH ĐỂ TÁCH VÀ LÀM GIÀU CÁC NGUYÊN TỐ HÓA HỌC (U(VI), Cu(II), Pb(II), Zn(II) và Cd(II)) Chuyên ngành: HÓA PHÂN TÍCH Mã số: 62.44.29.01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA PHÂN TÍCH CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. NGUYỄN MỘNG SINH 2. PGS.TS. NGUYỄN VĂN SỨC ĐÀ LẠT - 2014 i LỜI CAM ĐOAN Luận án Tiến sĩ Hóa học “Nghiên cứu điều chế và sử dụng hợp chất chitosan biến tính để tách và làm giàu các nguyên tố hóa học (U(VI), Cu(II), Pb(II), Zn(II) và Cd(II))” do tôi thực hiện một cách trung thực. Những kết quả nghiên cứu trong luận án chưa được các tác giả khác công bố ở Việt Nam cũng như trên thế giới. Tôi xin cam đoan danh dự về công trình khoa học này. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 02 năm 2014 Nghiên cứu sinh Hồ Thị Yêu Ly ii Tôi xin gởi lời cảm ơn đến Thầy PGS.TS Nguyễn Mộng Sinh, người đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, chỉ dẫn, góp ý, sửa chữa và bổ sung cho tôi những kiến thức chuyên môn quý báu để hoàn thành luận án tiến sĩ này. Thầy PGS.TS Nguyễn Văn Sức, người đã truyền cho tôi ngọn lửa đam mê trong nghiên cứu khoa học. Thầy đã tạo mọi điều kiện thuận lợi và hỗ trợ về vật chất cũng như tinh thần cho tôi trong suốt quá trình nghiên cứu. Thầy luôn luôn kề cận chia sẽ, khích lệ, đôn đốc tôi nỗ lực vượt qua những khó khăn để hoàn thành luận án. Thầy là tấm gương để tôi phấn đấu trong suốt con đường làm việc và nghiên cứu tiếp theo. PGS.TS. Nguyễn Ngọc Tuấn đã nhiệt tình giúp đỡ, chỉ dẫn và hỗ trợ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu trong thời gian qua. PGS.TS Nguyễn Quốc Hiến đã hỗ trợ cho tôi nguồn vật liệu chitosan và đã bổ sung cho tôi nguồn tài liệu tham khảo quý giá. Viện Nghiên cứu Hạt nhân, Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam đã tạo điều kiện thuận lợi và giúp tôi giải quyết các thủ tục hành chính. Bộ môn Công nghệ Môi trường và Hóa học đã nhiệt tình hỗ trợ phòng thí nghiệm, máy móc, trang thiết bị thí nghiệm và các hóa chất cần thiết khác. Ban Giám hiệu nhà trường, Ban chủ nhiệm Khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật đã tạo điều kiện về thời gian, cũng như các bạn đồng nghiệp đã gánh vác công việc, hỗ trợ tôi trong thời gian tôi đi học. Nghiên cứu sinh: Hồ Thị Yêu Ly iii MỤC LỤC Trang Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Mục lục iii Danh mục chữ viết tắt viii Danh mục hình ảnh x Danh mục sơ đồ xvi Danh mục bảng biểu xvii Danh mục phụ lục xix Mở đầu 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 7 1.1. CHITOSAN VÀ DẪN XUẤT CỦA CHITOSAN 7 1.1.1. Cấu trúc của chitin, chitosan 7 1.1.2. Quy trình sản xuất chitosan 8 1.1.3. Tính chất lý – hóa học của chitosan 11 1.1.4. Sự khâu mạng chitosan 14 1.1.5. Một số dẫn xuất của chitin và chitosan 16 1.1.6. Ứng dụng của chitin/chitosan và dẫn xuất của nó. 17 1.2. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VIỆC SỬ DỤNG CHITOSAN VÀ CÁC DẪN XUẤT CỦA NÓ TRONG HẤP PHỤ TÁCH LOẠI LÀM GIÀU ION KIM LOẠI 19 1.2.1. Trong nước 19 1.2.2. Ngoài nước 21 CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 28 2.1. HÓA CHẤT, THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH 28 iv 2.1.1. Hóa chất và thiết bị 28 2.1.2. Phương pháp phân tích 29 2.2. VẬT LIỆU HẤP PHỤ 31 2.2.1. Điều chế CTSK 31 2.2.2. Xác định độ trương nước của các mẫu CTSK 31 2.2.3. Xác đinh độ bền trong môi trường nước có pH khác nhau của một số mẫu CTSK 32 2.2.4. Xác định độ đề acetyl hóa một số mẫu CTSK 32 2.2.5. Khảo sát khả năng hấp phụ một số ion kim loại loại đối với các mẫu CTSK 34 2.2.6. Điều chế CTSK-CT 34 2.2.7. Xác định liều lượng acid citric dùng để ghép mạch 34 2.2.8. Xác định phần trăm glutaraldehyde đã ghép vào mạch CTSK và % acid gắn vào mạch CTSK-CT 35 2.2.9. Xác định cấu trúc vật liệu bằng phổ hồng ngoại 36 2.2.10. Xác định hình thái bề mặt của vật liệu 36 2.2.11. Xác định pH tại điểm đẳng điện tích 36 2.2.12. Xác định diện tích bề mặt riêng 36 2.2.13. Xác định khối lượng riêng và pH của vật liệu trong nước 36 2.3. NGHIÊN CÚU HẤP PHỤ GIÁN ĐOẠN 37 2.3.1. Nghiên cứu động học hấp phụ 39 2.3.2. Nghiên cứu đẳng nhiệt hấp phụ 40 2.3.2. Nhiệt động học hấp phụ 44 2.4. NGHIÊN CỨU HẤP PHỤ CÁC ION KIM LOẠI LÊN CTSK-CT BẰNG QUY HOẠCH THỰC NGHIỆM BOX-BEHNKEN DESIGN (BBD) CỦA PHƯƠNG PHÁP ĐÁP ỨNG BỀ MẶT (RMS) 45 2.5. KHẢO SÁT HẤP PHỤ LIÊN TỤC CÁC ION KIM LOẠI LÊN CTSK-CT 48 2.5.1. Ảnh hưởng của lưu lượng qua cột 48 2.5.2. Ảnh hưởng của nồng độ ban đầu 49 v 2.5.3. Ảnh hưởng của chiều cao lớp hấp phụ 49 2.6. NGHIÊN CỨU GIẢI HẤP 49 2.6.1. Xác định hiệu suất rửa giải ở các nồng độ HNO 3 và NaHCO 3 khác nhau 50 2.6.2. Xây dựng đường cong rửa giải các ion kim loại 50 2.7. XÁC ĐỊNH LƯỢNG VẾT CÁC ION KIM LOẠI TRONG MỘT SỐ MẪU NƯỚC BẰNG PHƯƠNG PHÁP HẤP PHỤ LÀM GIÀU TRÊN VẬT LIỆU CTSK-CT 51 2.8. XÁC ĐỊNH HIỆU SUẤT TÁCH LOẠI CÁC ION U(VI), Cu(II), Pb(II), Zn(II) và Cd(II) TRONG MỘT SỐ MẪU NƯỚC THẢI 52 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 55 3.1. ĐIỀU CHẾ VẬT LIỆU CHITOSAN BIẾN TÍNH 55 3.1.1. Xác định độ trương nước của các mẫu CTSK 55 3.1.2. Xác đinh độ bền trong môi trường nước có pH khác nhau của một số mẫu CTSK 55 3.1.3. Xác định độ đề acetyl hóa của cá c mẫu CTSK 56 3.1.4. Khả năng hấp phụ một số ion kim loại loại đối với các mẫu CTSK . 56 3.1.5. Khảo sát liều lượng acid citric dùng để ghép mạch CTSK 57 3.1.6. Xác định phần trăm glutaraldehyde gắn trong mạch CTSK và % acid citric gắn trong mạch CTSK - CT 58 3.1.7. Khảo sát cấu trúc của vật liệu 59 3.1.8. Xác định hình dạng và kích thước của vật liệu 61 3.1.9. pH tại điểm đẳng điện tích không 62 3.1.10. Một số tính chất vật lý của vật liệu 64 3.2. NGHIÊN CỨU HẤP PHỤ GIÁN ĐOẠN CÁC ION KIM LOẠI U(VI), Cu(II), Pb(II), Zn(II) và Cd(II) BẰNG CTSK 65 3.2.1. Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc 65 3.2.2. Ảnh hưởng của pH 66 vi 3.2.3. Ảnh hưởng kích thước vảy của vật liệu đến hiệu suất quá trình hấp phụ 69 3.2.4. Ảnh hưởng liều lượng chất hấp phụ đến hiệu suất quá trình hấp phụ71 3.2.5. Nghiên cứu động học hấp phụ của các ion kim loại đến CTSK 72 3.2.6. Nghiên cứu cân bằng hấp phụ 74 3.3. NGHIÊN CỨU HẤP PHỤ GIÁN ĐOẠN CÁC ION KIM LOẠI U(VI), Cu(II), Pb(II), Zn(II) và Cd(II) BẰNG CTSK-CT 79 3.3.1. Ảnh hưởng của pH 79 3.3.2. Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc 80 3.3.3. Ảnh hưởng liều lượng chất hấp phụ đến hiệu suất quá trình hấp phụ81 3.3.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ 83 3.3.5. Nghiên cứu động học hấp phụ 90 3.3.6. Nghiên cứu cân bằng hấp phụ 92 3.4. NGHIÊN CỨU HẤP PHỤ CÁC ION KIM LOẠI LÊN CTSK-CT BẰNG QHTN BOX-BEHNKEN DESIGN (BBD) CỦA PHƯƠNG PHÁP ĐÁP ỨNG BỀ MẶT (RMS) 98 3.4.1. Kết quả QHTN quá trình hấp phụ U(VI) lên CTSK-CT 98 3.4.2. Kết quả QHTN quá trình hấp phụ Cu(II) lên CTSK-CT 102 3.4.3. Kết quả QHTN quá trình hấp phụ Pb(II) lên CTSK-CT 104 3.4.4. Kết quả QHTN quá trình hấp phụ Zn(II) lên CTSK-CT 107 3.4.5. Kết quả QHTN quá trình hấp phụ Cd(II) lên CTSK-CT 110 3.5. NGHIÊN CỨU HẤP PHỤ LIÊN TỤC CÁC ION KIM LOẠI U(VI), Cu(II) VÀ Pb(II) TRÊN CỘT NHỒI CTSK-CT 113 3.5.1. Nghiên cứu hấp phụ dòng liên tục ion U(VI) lên cột nhồi CTSK-CT113 3.5.2. Nghiên cứu hấp phụ dòng liên tục ion Cu(II) lên cột nhồi CTSK-CT116 3.5.3. Nghiên cứu hấp phụ dòng liên tục ion Zn(II) lên cột nhồi CTSK-CT119 vii 3.6. GIẢI HẤP 122 3.6.1. Kết quả giải hấp U(VI) 122 3.6.2. Kết quả giải hấp các ion Cu(II), Pb(II), Zn(II) và Cd(II) 123 3.7. KẾT QUẢ XÁC ĐỊNH NỒNG ĐỘ CÁC ION U(VI), Cu(II), Pb(II), Zn(II) VÀ Cd(II) TRONG MỘT SỐ MẪU NƯƠC 124 3.8. KẾT QUẢ XÁC ĐỊNH HIỆU SUẤT TÁCH LOẠI CÁC ION U(VI), Cu(II), Pb(II), Zn(II) VÀ Cd(II) TRONG MẪU NƯỚC THẢI CÔNG NGHIỆP 125 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 126 TÀI LIỆU THAM KHẢO 129 DANH MỤC CÔNG TRÌNH 142 PHỤ LỤC 145 viii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU Chữ viết tắt Tên gọi Không xác định ANOVA Phân tích phương sai C 0 Nồng độ đầu CBHP Cân bằng hấp phụ CTS Chitosan chưa khâu mạch CTSK Chitosan khâu mạch CTSK-CT Chitosan khâu mạch gắn acid citric dd Dung dịch ĐĐA Độ đề acetyl hóa DF Độ tự do (Degree of Freedom) ĐHHP Động học hấp phụ ĐNHP Đẳng nhiệt hấp phụ F Tốc độ tuyến tính qua cột FL Freundlich FT-IR Phổ hồng ngoại (Fourier Transform Infrared Spectroscopy) HSHP Hiệu suất hấp phụ K a Hằng số tốc độ trong mô hình BDST KCN Khu công nghiệp KL Kim loại KNHP Khả năng hấp phụ LM Langmuir LT Lý thuyết m Khối lượng N 0 Dung lượng hấp phụ cột NĐ Nồng độ pH PZC pH tại điểm điện tích không (the point of zero charge) PL Phụ lục PT Phương trình [...]... ngừng tìm ra những vật liệu trên cơ sở chitosan biến tính bền trong môi trường acid và nâng cao khả năng hấp phụ ion loại để ứng dụng trong hấp phụ làm giàu lượng vết ion kim loại trong phân tích là rất cần thiết Đề tài Nghiên cứu điều chế và sử dụng một số hợp chất chitosan biến tính để tách và làm giàu các nguyên tố hóa học (U(VI), Cu(II), Pb(II), Zn(II) và Cd(II)) hướng đến việc bổ sung những thông... U(VI), Cu(II), Pb(II), Zn(II) và Cd(II) trong một số mẫu nước (nước sông, nước giếng khoang, nước máy) -3- CHITOSAN BIẾN TÍNH MỞ ĐẦU - Xác định hiệu suất tách loại các ion U(VI), Cu(II), Pb(II), Zn(II) và Cd(II) trong một số mẫu nước thải  Đối tượng và giới hạn nghiên cứu  Đối tượng: Nghiên cứu điều chế chitosan biến tính và dẫn xuất của nó dựa trên vật liệu chitosan dạng vảy Nghiên cứu các đặc tính. .. này là điều chế vật liệu chitosan biến tính và dẫn xuất của chitosan biến tính là chitosan khâu mạch gắn acid citric không tan trong môi trường acid, có khả năng hấp phụ ion kim loại cao Nghiên cứu một cách đầy đủ các đặc tính hấp phụ của các vật liệu đã được điều chế đối với các ion kim loại U(VI), Cu(II), Pb(II), Zn(II) và Cd(II) trong dung dịch nước Bên cạnh đó, nghiên cứu tách loại một số ion kim... đầu vào nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc 65 Bảng 3.4 Các số liệu đầu vào nghiên cứu ảnh hưởng của pH vào HSHP của CTSK 66 Bảng 3.5 Các số liệu đầu vào nghiên cứu ảnh hưởng của liều lượng chất hấp phụ 71 Bảng 3.6 Các số liệu đầu vào nghiên cứu cân bằng hấp phụ 74 Bảng 3.7 Các số liệu đầu vào NC ảnh hưởng của pH vào HSHP của CTSK-CT 79 Bảng 3.8 Các số liệu đầu vào nghiên. .. phụ và giải hấp của các vật liệu đối với các ion kim loại U(VI), Cu(II), Pb(II), Zn(II) và Cd(II) trong môi trường nước  Giới hạn: Nghiên cứu các đặc tính hấp phụ và giải hấp của các ion kim loại U(VI), Cu(II), Pb(II), Zn(II) và Cd(II) trong môi trường nước tự pha Xác định lượng vết các ion U(VI), Cu(II), Pb(II), Zn(II) và Cd(II) trong một số mẫu nước tự nhiên và hiệu suất tách loại trong một số nước... kim loại lên các vật liệu điều chế được bằng kỹ thuật hấp phụ tĩnh (gián đoạn theo mẻ) và hấp phụ động (qua cột ) 4 Sử dụng phương pháp thực nghiệm và quy hoạch thực nghiệm để xây dựng hàm mục tiêu và xác định thông số tối ưu cho quá trình hấp phụ các ion kim loại U(VI), Cu(II), Pb(II), Zn(II) và Cd(II) lên CTSK-CT 5 Sử dụng các công cụ toán học và các phần mềm tin học hỗ trợ để xử lý số liệu thực... của các vật liệu vừa điều chế đối với các ion kim loại U(VI), Cu(II), Pb(II), Zn(II) và Cd(II) trong dung dịch nước -2- CHITOSAN BIẾN TÍNH MỞ ĐẦU - Sử dụng các kết quả đã nghiên cứu áp dụng xác định được nồng độ lượng vết các ion kim loại trong một số mẫu nước và loại bỏ ion kim loại ra khỏi môi trường nước bị ô nhiễm  Nội dung của luận án Để đáp ứng được các mục tiêu đề ra, cần phải thực hiện các. .. hấp phụ tốt một số các ion kim loại từ dung dịch có pH trung tính [14, 32, 77, 103] Tuy nhiên, ở pH thấp chitosan dễ bị hòa tan gây khó khăn cho quá trình hấp phụ, đặc biệt khi sử dụng phương pháp cột, đây chính là điều không thuận lợi khi sử dụng chitosan để hấp phụ các ion kim loại cho mục đích làm giàu và tái sử dụng vật liệu Gần đây, kết quả nghiên cứu của một số tác giả đã chứng minh rằng chitosan. .. nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc 80 Bảng 3.9 Các số liệu đầu vào nghiên cứu ảnh hưởng của liều lượng chất hấp phụ 81 Bảng 3.10 Các số liệu đầu vào nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ dung dịch ion KL 83 xvi Bảng 3.11 Các hằng số LM và thông số nhiệt động QTHP U(VI) lên CTSK-CT 84 Bảng 3.12 Các hằng số LM và thông số nhiệt động QTHP Cu(II) lên CTSK-CT 85 Bảng 3.13 Các hằng số LM và thông số nhiệt... 3.14 Các hằng số LM và thông số nhiệt động QTHP Zn(II) lên CTSK-CT 87 Bảng 3.15 Các hằng số LM và thông số nhiệt động QTHP Zn(II) lên CTSK-CT 88 Bảng 3.16 Các số liệu đầu vào nghiên cứu cân bằng hấp phụ của CTSK-CT đối với các ion kim loại 92 Bảng 3.17 Dung lượng hấp phụ cực đại các ion kim loại lên CTSK và CTSK-CT ở các điều kiện hấp phụ tối ưu 97 Bảng 3.18 Các giá trị tối ưu hóa . Tiến sĩ Hóa học Nghiên cứu điều chế và sử dụng hợp chất chitosan biến tính để tách và làm giàu các nguyên tố hóa học (U(VI), Cu(II), Pb(II), Zn(II) và Cd(II)) do tôi thực hiện một cách trung. LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM    HỒ THỊ YÊU LY NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ VÀ SỬ DỤNG MỘT SỐ HỢP CHẤT CHITOSAN BIẾN TÍNH ĐỂ TÁCH VÀ LÀM GIÀU CÁC NGUYÊN TỐ HÓA HỌC (U(VI), Cu(II), Pb(II),. VÀ ĐÀO TẠO BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM    HỒ THỊ YÊU LY NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ VÀ SỬ DỤNG MỘT SỐ HỢP CHẤT CHITOSAN BIẾN TÍNH ĐỂ TÁCH