Hợp chất hữu cơ tạp chức và polime. polime phân hủy sinh học

Tiểu luận học phần: Hợp chất hữu tạp chức- Polymer MỞ ĐẦU LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Trong sống đại ngày vật dụng gia đình hay nhà máy xí nghiệp sản xuất từ vật liệu hoá học, đặc biệt vật liệu polymer Vật liệu polymer ngày chế tạo ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực đời sống, kinh tế, sản xuất,… có nhiều ưu tính lí, kĩ thuật, giá thành phù hợp so với vật liệu khác Bên cạnh lợi ích đó, phế thải từ loại vật liệu đặc biệt vật liệu polymer ngày phá hủy môi trường sống người polymer vật liệu khó phân hủy, đem chơn lấp vừa chiếm diện tích lớn đất ngồi cịn gây ô nhiễm môi trường đặc biệt môi trường đất, nước, Nếu đem đốt vật liệu polymer khơng sử dụng vừa gây nhiễm khí vừa góp phần làm suy giảm tầng ozon, tạo nhiều chất độc hại khác Nếu tái sử dụng tốn thời gian, kinh tế hiệu mang lại khơng cao Vì khắp giới tập trung nghiên cứu vật liệu tập trung cao vào polymer phân hủy sinh học sản xuất vật liệu polymer phân hủy sinh học vừa đáp ứng nhu cầu sử dụng người vừa ngăn ngừa ô nhiễm môi trường Hiện nay, vấn đề ô nhiễm môi trường nước ta nước giới đặc biệt quan tâm Đặc biệt vấn nạn sử dụng túi nilon, vật liệu polymer khó phân hủy Với tính cấp thiết đề tài nội dung học phần Hợp chất hữu tạp chức- Polymer, tơi tìm hiểu đề tài nhằm sưu tầm, tổng hợp lại số thông tin kiến thức liên quan đến polymer phân hủy sinh học ứng dụng vật liệu polymer phân hủy sinh học nhằm cung cấp cho người thơng tin cần thiết polime hữu ích từ có ý thức việc sử dụng vật liệu polymer góp phần gìn giữ, bảo vệ môi trường Mặt khác cung cấp tài liệu cho bạn học sinh, sinh viên quan tâm đến lĩnh vực MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU Nghiên cứu cấu tạo, tính chất polymer phân hủy sinh học ứng dụng vật liệu polymer phân hủy sinh học ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Polymer phân hủy sinh học vật liệu polymer phân hủy sinh học PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Nghiên cứu, tham khảo tài liệu có liên quan Tổng hợp, đánh giá,… GIẢ THUYẾT KHOA HỌC Phan Mỹ Linh Tiểu luận học phần: Hợp chất hữu tạp chức- Polymer Nghiên cứu đề tài góp phần giúp sinh viên có hiểu biết polymer phân hủy sinh học, vật liệu polymer phân hủy sinh học từ có ý thức việc sử dụng vật liệu polymer góp phần gìn giữ, bảo vệ môi trường NỘI DUNG Phan Mỹ Linh Tiểu luận học phần: Hợp chất hữu tạp chức- Polymer CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ POLYMER, POLYMER PHÂN HỦY SINH HỌC 1.1 1.1.1 Polymer Khái niệm Polymer khái niệm dùng cho hợp chất cao phân tử( hợp chất có khối lượng phân tử lớn cấu trúc chúng có lặp lặp lại nhiều lần mắt xích bản) Olygomer chất đồng đẳng polymer có khối lượng phân tử thấp polymer Công thức tổng quát: (A)n đó: + n: hệ số trùng hợp, hệ số polymer hóa, độ polymer hóa + A mắt xích Tên polymer = Poly + tên monomer 1.1.2 Phân loại a) Dựa vào nguồn gốc  Polymer thiên nhiên, lấy từ vật liệu có sẵn thiên nhiên: tơ tằm, tinh bột, protein, cao su thiên nhiên, xenlulozơ…  Polymer nhân tạo hay bán tổng hợp, tổng hợp cách biến tính hóa học ngun liệu có sẵn tự nhiên: tơ visco, tơ axetat, tơ cellulose axetat,…  Polymer tổng hợp, người tổng hợp từ monome Ví dụ polyethilene, polystiren,… b) Dựa vào cấu trúc mạch  Polymer đồng mạch: mạch gồm loại nguyên tử Ví dụ: mạch gồm nguyên tử cacbon Phan Mỹ Linh Tiểu luận học phần: Hợp chất hữu tạp chức- Polymer  Polymer dị mạch: mạch cấu tạo hai hay nhiều loại nguyên tử khác Ví dụ: mạch gồm cacbon oxi, cacbon nito, cacbon lưu huỳnh,…  Polymer có hệ thống liên kết liên hợp Loại polymer chứa hệ thống liên tục liên kết liên hợp dọc theo toàn mạch phân tử đoạn lớn mạch polymer Ví dụ: polyphenylene,… c) Dựa vào thành phần monomer  Homopolymer: tổng hợp từ loại monomer Ví dụ: polyethilene, polystiren,…  Copolymer: tỏng hợp từ hai hay nhiều loại monomer Ví dụ: cao su buna-S, cao su buna-N,… d) Dựa vào phương pháp tổng hợp  Polymer điều chế phản ứng trùng hợp Trùng hợp phản ứng cộng hợp liên tiếp nhiều phân tử nhỏ giống tương tự để tạo thành polymer Monomer tham gia phản ứng trùng hợp phải có chứa liên kết bội vịng khơng bền (caprolactam) Ví dụ: polyethilene, polystiren,…  Polymer điều chế phản ứng trùng ngưng Trùng ngưng phản ứng cộng hợp liên tiếp nhiều phân tử nhỏ giống tương tự để tạo thành polymer đồng thời có giải phóng phân tử chất vô đơn giản H2O Phan Mỹ Linh Tiểu luận học phần: Hợp chất hữu tạp chức- Polymer Điều kiện để monomer tham gia phản ứng trùng ngưng: phân tử phải có nhóm chức trở lên có khả tham gia phản ứng: -OH, -COOH, -NH (trừ HCHO phenol) Ví dụ: nilon-7, nilon-6,…  Polymer điều chế phản ứng trùng cộng hợp Polymer đươc điều chế vừa phản ứng cộng vừa phản ứng trùng hợp Ví dụ: polyurethan,… Ngồi ra, người ta cịn phân loại polime dựa vào tính học  Polymer nhiệt rắn  Polymer nhiệt dẻo  Polymer có tính đàn hồi 1.2 1.2.1 Polymer phân hủy sinh học Khái niệm Sự phân hủy sinh học trình tự nhiên, chất hữu chuyển thành hợp chất đơn giản hơn, không làm ô nhiễm môi trường Một số tiêu chuẩn nhà khoa học đưa để định nghĩa polymer phân hủy sinh học:    Theo ISO 472-1988: Polymer có khả phân hủy sinh học polymer sau thời gian sử dụng, tác dụng đặc biệt mơi trường, số tính chất thay đổi cấu trúc hóa học, thay đổi xảy tự nhiên nhờ vi sinh vật mơi trường, từ dẫn đến phân hủy polymer Theo ASTM: Polymer có khả phân hủy tác dụng sinh học, hóa học, chuỗi cacbon polymer bị cắt đứt thành mảnh nhỏ tái hợp Theo hội đồng nghiên cứu polymer có khả phân hủy sinh học Nhật: Polymer có khả phân hủy sinh học polymer mà q trình phân hủy tạo thành hợp chất có trọng lượng phân tử thấp Phan Mỹ Linh Tiểu luận học phần: Hợp chất hữu tạp chức- Polymer hơn, có giai đoạn thơng qua chuyển hóa vi sinh vật tự nhiên Tóm lại: Polymer tự huỷ (polymer phân huỷ sinh học) polymer chuyển đổi hồn tồn thành khí cacbondioxide, nước, khống vơ sinh khối vi sinh vật trường hợp giảm cấp sinh học yếm khí polymer chuyển đổi thành khí cacbondioxide, methan mùn mà khơng tạo chất độc hại 1.2.2 Lịch sử phát triển Các sản phẩm polymer tự nhiên hổ phách, sen-lăc (chất nhựa dạng tờ mảnh mỏng, dùng để làm vécni), Gutta-percha người khai thác sử dụng từ lâu lịch sử phát triển loài người từ thời La mã trung cổ Sự thương mại hóa polymer bắt đầu vào kỷ 19 Khi người phát sử dụng sản phẩm dầu mỏ, xã hội lồi người đẫ tiến bước dài phía văn minh, từ năm 60 70 kỉ 20 người ta nhận môi trường bị hủy hoại hoạt động tạo sản phẩm Các vật liệu polymer từ hóa dầu mói nguy hại tiềm ẩn cho mơi trường sinh thái khơng thể tự phân hủy Chỉ có tác động học, hóa học vào chúng phá hủy chúng lại tạo nhiều chất độc hại địi hỏi chi phí khổng lồ vượt qua giá thành tạo chúng Mặt trái phát minh rõ người ta bắt đầu nghĩ đến vật liệu polymer khác thân thiện với môi trường Trong phát minh xu hướng đó, năm 1960 Davis Geck tổng hợp thành công polymer phân hủy sinh học sở polyglycol Và sau poly(D,L,DL lactic) Chỉ khâu tự tiêu mang nhãn hiệu DEXON đời mở hướng tổng hợp polymer, từ người ta ý đến polymer phân hủy sinh học nhiều hơn, hy vọng cứu cánh cho mơi trường Ngày nay, nhu cầu vật liệu polymer liên tục tăng công nghiệp sản xuất polymer thành phần quan trọng kinh tế Cùng với áp lực từ chất thải ngày tăng giảm bớt nguồn lực có khả tái chế polymer tự nhiên sử dụng chúng làm nguyên liệu cho chế tạo, cơng nghiệp nơng nghiệp Vì vậy, vật liệu polymer công nghiệp sản xuất vật liệu polymer đà phát triển Với xu đó, người ta tập trung nghiên cứu polymer vật Phan Mỹ Linh Tiểu luận học phần: Hợp chất hữu tạp chức- Polymer liệu polim phân hủy sinh học, thân thiện với môi trường đáp ứng nhu cầu sử dụng người đảm bảo vấn đề mơi trường 1.2.3 • • • • • 1.2.4 Phân loại Các loại polymer phân hủy theo nhiều chế khác nhau, bao gồm: Phân hủy sinh học Chôn ủ Phân hủy tác dụng ánh sáng Phân hủy quang-sinh học Phân hủy thủy phân sinh học Lợi ích polymer phân hủy sinh học Lợi ích mơi trường polymer phân hủy phụ thuộc vào cách xử lý thích hợp Polymer phân hủy khơng phải liều thuốc, nhiên nhà khoa học cho bất lợi môi trường sử dụng vật liệu polymer truyền thống phân hủy polymer tạo CO2 giải phóng vào khơng khí khí nhà kính Tuy nhiên polymer phân hủy từ chất liệu tự nhiên dẫn trồng rau sản phẩm động vật, cô lập CO2 giai đoạn phát triển, giải phóng CO giai đoạn phân hủy, khơng thu dịng khí thải CO2 Polymer phân hủy sinh học yêu cầu môi trường cụ thể độ ẩm oxi thích hợp để phân hủy Polymer tự hủy thay dạng khơng phân hủy dòng chất thải, làm phân trộn, công cụ quan trọng để chuyển hướng số lượng lớn chất thải khác từ bãi rác Những ưu điểm polymer phân hủy sinh học: trọng lượng nhẹ, chi phí tương đối thấp, khả phân hủy hồn tồn đầy đủ số phân trộn Thay cố gắng tái chế số lượng tương đối nhỏ, polymer tự hủy dễ dàng kết hợp với chất thải hữu khác, qua cho phép phân trộn có vị cao chất thải rắn Polymer tự hủy làm giảm gánh nặng việc phân hủy xử lý chất thải bãi rác Việc sử dụng polymer tự hủy xem khả khác việc xử lý chất thải ngoại trừ việc đốt tro chôn chất thải xuống đất 1.3 Sự khác biệt polymer truyền thống polymer phân hủy sinh học Phan Mỹ Linh Tiểu luận học phần: Hợp chất hữu tạp chức- Polymer Polymer phân hủy sinh học sản xuất chủ yếu hoàn toàn từ nguồn tài nguyên tái tạo Sản xuất polymer tự huỷ thường tập trung vào việc làm cho thuận tiện sinh hoạt phù hợp ổn định với môi trường    Polymer tự hủy có thuộc tính: Chúng phân hủy Chúng làm từ nguyên liệu tái tạo Chúng chế biến để thân thiện với môi trường Polymer truyền thống không đáp ứng với thuộc tính Polymer truyền thống khó để phân hủy có hại với mơi trường sống chúng góp phần làm tăng lượng chất thải rắn gây ô nhiễm môi trường Polymer truyền thống không tái tạo được, polymer phân hủy có thành phần polymer tự nhiên nên dễ để vi sinh vật phân hủy Vì vậy, polymer phân hủy sinh học ngày quan tâm nghiên cứu, phát triển, sản xuất vật liệu polymer phân hủy sinh học ngày quan tâm đầu tư phát triển CHƯƠNG 2: CÁC POLYMER PHÂN HỦY SINH HỌC PHỔ BIẾN 2.1 Quá trình phân hủy polymer phân hủy sinh học 2.1.1 Tác nhân gây phân hủy sinh học polymer 2.1.1.1 Nấm Nấm vi sinh vật quan trọng gây phân hủy vật liệu, enzym chúng sản xuất phá vỡ hợp chất Phan Mỹ Linh sống để cung cấp thức ăn có thành phần polymer Tiểu luận học phần: Hợp chất hữu tạp chức- Polymer Chúng xuất mơi trường có độ ẩm cao, nhiệt độ 5055oC, có khơng khí có mặt vật liệu cung cấp thức ăn Hình ảnh nấm 2.1.1.2 Vi khuẩn Chúng thuộc nhóm sinh vật đơn bào, thuộc loại kí sinh trùng, lồi có số lượng động tự nhiên Các vi sinh vật phân hủy hợp chất hữu xuất chủ yếu môi trường đất nước, chúng phân làm hai loại: yếm khí hiếu khí • • Vi khuẩn làm suy giảm polymer, chúng sản xuất enzym phá hủy hợp chất không ăn thành thức ăn Vi khuẩn yếm khí phân hủy hợp chất hữu thành khí CH4 số khí khác H2S Vi khuẩn hiếu khí phân hủy hợp chất hữu chủ yếu thành CO2 H2O Hình ảnh vi khuẩn lactic 2.1.1.3 Enzym Enzym protein xúc tác sinh học, hình cầu, khối lượng thay đổi từ 10000 đến 400000 cao hơn, sản phẩm sinh học tế bào tiết với lượng nhỏ làm tăng nhanh phản ứng hóa sinh phản ứng kết thúc, chúng không đổi so với trạng thái ban đầu Phan Mỹ Linh Tiểu luận học phần: Hợp chất hữu tạp chức- Polymer Mỗi enzym đặc trưng cho chất riêng biệt Khác với xúc tác vô cơ, enzym hoạt động điều kiện tương đối nhẹ nhàng: áp suất thường (1 atm), nhiệt độ 49oC, pH gần trung tính, trừ số trường hợp đặc biệt Ví dụ: Enzym amilaza 2.1.1.4 Các tác nhân khác Ngoài vi sinh vật giúp polymer sinh học phân hủy cịn có số tác nhân khác làm phân hủy hay đóng góp vào q trình phân hủy polymer với vi sinh vật như: ánh sáng phân hủy quang, nhiệt độ, 2.1.2 Quá trình phân hủy polymer Đầu tiên polymer trải qua suy thối hóa học cách thủy phân oxi hóa tương ứng Điều dẫn đến tan rã thể chất polymer giảm đáng kể trọng lượng phân tử Các chất xúc tác chất phụ gia sử dụng để đẩy mạnh trình phân huỷ Các chất xúc tác, phụ gia có nhiều loại phổ biến rộng rãi thiên nhiên, sử dụng phổ biến nhiều nghành công nghiệp Polymer chuyển đổi thành cacbondioxide, nước sinh khối điều kiện kị khí phân huỷ tạo methan điều kiện yếm khí Polymer phân hủy sử dụng vào lĩnh vực khác tùy thuộc vào mục đích phương thức phân hủy polymer Phan Mỹ Linh 10 Tiểu luận học phần: Hợp chất hữu tạp chức- Polymer Hình ảnh vật liệu polymer phân hủy sinh học làm từ PLA 2.2.2.2 Polyhydroxyalkanoates (PHA) Polihydroxylalkanoates hay PHA vật liệu polymer có nhiều hứa hẹn chúng loại nhựa nhiệt dẻo, có độ bền có độ dai tương tự polystiren thay đổi tính chất cách thay đổi thành phần nguyên liệu chế tạo Thêm vào đó, loại polymer hồn tồn bền mơi trường ẩm có độ thẩm thấu oxi thấp Polymer dược nghiên cứu để thay cho bao bì plastic.Các nhà sinh học biết đến tồn PHA từ năm 1925 tế bào vi khuẩn Nhiều loại PHA tổng hợp từ nguồn cacbon, vi sinh vật hữu khác qua q trình gia cơng Phan Mỹ Linh 22 Tiểu luận học phần: Hợp chất hữu tạp chức- Polymer Có phương pháp để tổng hợp nên PHA : Phương pháp lên men Phương pháp tổng hợp sinh học, bao gồm hai giai đoạn: phân hủy kị khí bùn nhờ vi khuẩn thermophilic giai đoạn điều chế PHA từ hợp chất hữu hịa tan có lớp bề mặt bùn phân hủy nhờ Alcaligens Eutrophus giai đoạn  Phương pháp lên men trích ly nhựa từ trồng   Một ưu điểm PHA so với PLA khả tự phân hủy cao dễ tổng hợp Khi đặt vào mơi trường sinh vật tự nhiên tự phân hủy thành CO2 H2O Điều giúp có nhiều ứng dụng sống Ứng dụng: Một copolymer PHA cứng dai nên sử dụng vật liệu đóng gói Có ứng dụng tiềm cho PHA tạo vi sinh vật ngành công nghiệp y tế dược phẩm, chủ yếu khả phân hủy sinh học chúng Ví dụ tự tiêu, da thay thế, băng vết thương, Phan Mỹ Linh 23 Tiểu luận học phần: Hợp chất hữu tạp chức- Polymer Hình ảnh ứng dụng PHA 2.2.2.3 Thermoplastic starches (TPS) TPS(Thermoplastic starches) vật liệu polymer 100% tinh bột chứa chất dẻo chịu nhiệt.Thermoplastic starches có nhiều bước phát triển ngành công ngiệp polymer sinh học Những polime tạo từ tinh bột bắp, lúa mì,khoai tây Thermoplastic starches (TPS) khác PLA PHA chúng khơng qua giai đoạn lên men Để có thuộc tính giống plastic, TPS trộn với vật liệu tổng hợp khác Tinh bột liên kết với polymer tổng hợp khác, với hàm lượng tinh bột lớn 50% tạo nên loại plastic mà đáp ứng nhu cầu thị trường TPS gồm loại:   - - EAA(copolymer ethilene- acrylic acide): nghiên cứu từ năm 1977 Nhược điểm loại plastic nhạy cảm với thay đổi môi trường,dễ bị rách trượt không phân hủy hoàn toàn vi sinh vật Điểm hạn chế vật liệu giòn nhạy cảm với độ ẩm Aliphatic polyeste: Tinh bột cấu trúc lại với diện polime kị nước polyeste béo Polyeste béo có điểm tan chảy thấp khó tạo thành vật liệu nhiệt dẻo thổi tạo hình Khi trộn tinh bột với polyeste béo cải thiện nhược điểm Một số polyeste béo thích hợp là: poly-caprolactone copolymer nó, Ɛ polymer tạo thành từ phản ứng glycol 1,4butandiol với số acid succinic, adipic,sebacic, azelaic, dicanoic, Phan Mỹ Linh 24 Tiểu luận học phần: Hợp chất hữu tạp chức- Polymer decanoic,brassillic Sự kết hợp tăng thuộc tính cơ, giảm nhạy cảm với nước tăng khả phân hủy Hình ảnh ứng dụng TPS CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU POLYMER PHÂN HỦY SINH HỌC 3.1 Ứng dụng 3.1.1 Ứng dụng polymer phân hủy sinh học y học Chất dẻo phân hủy sinh học ứng dụng làm vật liệu cấy phẫu thuật chỉnh hình mạch máu, khâu phẫu thuật, ứng dụng chữa mắt, Để polymer phân hủy sinh học sử dụng phương pháp trị liệu phải đáp ứng tiêu chí sau: - Khơng độc hại để loại bỏ phản ứng thể người nước ngoài; Thời gian cần cho polymer để phân huỷ tỷ lệ thuận với thời gian cần thiết cho liệu pháp; Các sản phẩm phân hủy sinh học không gây độc tế bào dễ dàng loại bỏ khỏi thể; Vật liệu phải xử lý dễ dàng để điều chỉnh tính chất học cho cơng việc u cầu; Được khử trùng cách đễ dàng; Có thời hạn sử dụng chấp nhận Phan Mỹ Linh 25 ... Phân hủy sinh học Chôn ủ Phân hủy tác dụng ánh sáng Phân hủy quang -sinh học Phân hủy thủy phân sinh học Lợi ích polymer phân hủy sinh học Lợi ích mơi trường polymer phân hủy phụ thuộc vào cách xử... có khả phân hủy sinh học Nhật: Polymer có khả phân hủy sinh học polymer mà trình phân hủy tạo thành hợp chất có trọng lượng phân tử thấp Phan Mỹ Linh Tiểu luận học phần: Hợp chất hữu tạp chức- ... POLYMER PHÂN HỦY SINH HỌC PHỔ BIẾN 2.1 Quá trình phân hủy polymer phân hủy sinh học 2.1.1 Tác nhân gây phân hủy sinh học polymer 2.1.1.1 Nấm Nấm vi sinh vật quan trọng gây phân hủy vật liệu,