NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU HYDROGEL TỪ MỤN DỪA BẰNG PHƯƠNG PHÁP GHÉP BỨC XẠ ĐỂ HẤP THỤ ASEN

Trong lĩnh vực bảo vệ môi trường, công nghệ bức xạ cũng đã thực hiện các quá trình polymer hóa và biến tính ghép cũng như khâu mạch đã tạo ra nhiều vật liệu mới có tính năng đặc biệt: tí

1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU HYDROGEL TỪ MỤN DỪA

2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU HYDROGEL TỪ MỤN DỪA

BẰNG PHƯƠNG PHÁP GHÉP BỨC XẠ

ĐỂ HẤP THỤ ASEN

Tháng 6/2013

i

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tên em xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu và Bộ Môn Công Nghệ Sinh Học và thầy Lê Đình Đôn đã tạo điều kiện, giúp đỡ em trong thời gian học tập tại trường Các thầy cô đã truyền dạy cho em những kiến thức không chỉ những kiến thức chuyên ngành mà còn cả những kiến thức quý báu, kinh nghiệm sống Từ những sự kiến thức vô cùng quý báu đó sẽ là những hành trang quan trọng đối với em trong cuộc sống sau này

Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy Lê Quang Luân, người đã dành hết những sự giúp đỡ tận tình chu đáo trong suốt quá trình thực hiện khóa luận này Kính chúc thầy nhiều sức khỏe và công tác tốt

Em xin gửi lời biết ơn đối với cô chủ nhiệm Tô Thị Nhã Trầm, cô đã dìu dắt em

và tất cả các bạn trong lớp vượt qua những khó khăn để hoàn thành những năm tháng trên giảng đường đại học

Và em xin bày tỏ lòng biết ơn đối với chị Uyên, chị Trang Trung Tâm Hạt Nhân

TP HCM, hai chị đã giúp đỡ em và các bạn khác thực hiện tốt khóa luận Chúc hai chị nhiều sức khỏe và làm việc tốt.Ngoài ra em xin bày tỏ lòng biết ơn đối với anh chị Công Ty Sài Gòn Thủy Canh, thầy cô Trung Tâm Vinagamma đã tạo điều kiện giúp

đỡ em hoàn thành tốt đề tài

Ngoài ra, mình xin gửi lời cảm ơn đến bạn Ê'ste Konsơ cùng tập thể lớp DH09SH cùng đã sát cánh, giúp đỡ trong suốt quá trình học tập và làm khóa luận Những kĩ niệm với các bạn mình sẽ không bao giờ quên Mong tất cả các bạn sau này sẽ hạnh phúc, thành đạt thực hiện được tất cả các các ước mơ, hoài bão của các bạn

Và lời cuối cùng con xin gửi lời tri ơn, những tình cảm kính yêu đối với bà và cha mẹ và gia đình đã nuôi dưỡng, chăm sóc con, luôn là chỗ dựa vững chắccho con tạo điều kiện, động viên con trong suốt quá trình học tập Mong bà và cha mẹ sẽ luôn mạnh khỏe

Thành Phố Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2013

Sinh viên

Phạm Tấn Phát

ii

TÓM TẮT

Đề tài: “Nghiên cứu chế tạo vật liệu hydrogel từ mụn dừa bằng phương pháp ghép bức xạ để hấp thụ asen” được thực hiện tại Phòng Sinh Học Trung Tâm Hạt Nhân TP HCM từ 12/2012 đến 6/2013

Sự phát triển kinh tế và sự bùng nổ dân số đã làm ô nhiễmmôi trường, trong đó ô nhiễm kim loại nặng độc như asen nếu vượt quá tiêu chuẩn cho phép thì ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người Công nghệ bức xạ và các ưu điểm của mụn dừa để chế tạo một vật liệu hydrogel mới nhằm loại bỏ asen Đây là vật liệu có tiềm năng rất lớn

để loại bỏ asen ra khỏi nước bị ô nhiễm

Trong nghiên cứu này vật liệu mới được chế tạo từ mụn dừa, acrylic acid và chitosan bằng phương pháp chiếu xạ gamma Các đặc trưng của hydrogel như độ trương, hàm lượng gel đã được khảo sát Hơn nữa, khả năng hấp thụ asen của vật liệu cũng được khảo sát Qua các kết quả đạt được thì hydrogel được chuẩn bị từ các tỉ lệ mụn dừa/AAc = 1/3 và chiếu xạ ở liều xạ 8 kGy phù hợp cho hấp thụ ion As5+

Qua các thí nghiệm hấp thụ đã xác định được dung lượng hấp thụ tối đa là 0,88

mg Astrong 1 g gel khô trong 10 ml dung dịch As5+ trong vòng 24 giờ Dung lượng hấp thụ của hydrogel tăng khi tăng nồng độ ion As5+.Trên cơ sở đó vật liệu hydrogel

có tiềm năng ứng dụng để xử lí nguồn nước thảiô nhiễm asen

iii

SUMMARY

The thesis entitled: “Study on preparationof hydrogel from coir dustby radiation

graftingfor asenic adsorption” was carried out at Biological Department of Center for

Nuclear Techniques from December 2012 to June 2013

Theeconomicdevelopmentandpopulation explosionhasmadeenvironmental

pollution, toxicpollutantssuch asheavy metalsasenicexceedstandardsifpermitted,adversely affecthuman health

Radiationtechnologyinthe manufacture ofhydrogelandtheadvantages ofcoir dustto

produceanewhydrogel materialforasenicremoval Thesematerialshavegreat potentialto

asenicremovalfromcontaminated water

In this study, new materials were prepared from coir dust, acrylic acid and

chitosan by gamma radiation method The characteristics of hydrogel such as swelling

degree and gel fraction were investigated The adsorption of asenic ion (As5+) was also

tested The results showed that the hydrogel prepared from coir dust/AAc ratio of 1/3

and irradiated at 8 kGy was the most suitable for As5+ adsorption

The maximum asenic adsorption capacity of the hydrogel was 0.88 mg with

the condition of 1 g dried hydrogel in 10 ml asenic solution for 24 hours The

adsorption capacity of hydrogel was increased by the increasing of asenic

concentration.Therefore, the hydrogel has a potential for application in arsenic waste

water treatment

Keywords: asenic adsorption, chitosan, coir dust, hydrogel, radiation technology

iv

MỤC LỤC

Trang

Lời cảm ơn i

Tóm tắt ii

Summary iii

Mục lục iv

Danh sách các chữ viết tắt vii

Danh sách các bảng viii

Danh sách các hình ix

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu của đề tài 2

1.3 Nội dung thực hiện 2

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 3

2.1 Kim loại nặng và ô nhiễm kim loại nặng 3

2.1.1 Tổng quan về kim loại nặng 3

2.1.2 Tính chất của kim loại nặng 3

2.1.3 Ô nhiễm kim loại nặng 4

2.1.3.1 Nguồn gốc ô nhiễm kim loại nặng 4

2.1.3.2 Ảnh hưởng kim loại nặng đối với con người, sinh vật và môi trường 5

2.1.4 Tính chất và tác hại của asen 5

2.1.5 Xử lí độc tính kim loại nặng 8

2.1.6 Phương pháp quang phổ hấp thu nguyên tử 8

2.2 Tổng quan về hydrogel 9

2.2.1 Khái niệm và phân loại hydrogel 9

2.2.2 Tính chất trương nước của hydrogel 9

v

2.2.3 Các phương pháp chế tạo hydrogel 10

2.2.3.1 Chế tạo hydrogel bằng phương pháp hóa học 10

2.2.3.2 Chế tạo hydrogel bằng phương pháp bức xạ 11

2.2.4 Thành tựu và ứng dụng của hydrogel 12

2.2.5 Tính chất của hydrogel dùng để hấp thụ kim loại 12

2.3 Công nghệ bức xạ 13

2.3.1 Khái niệm công nghệ bức xạ 13

2.3.2 Thành tựu và ứng dụng công nghệ bức xạ 14

2.3.3 Ứng dụng của công nghệ bức xạ trong chế tạo hydrogel 16

2.3.3.1 Hiệu ứng khâu mạch 16

2.3.3.2 Khâu mạch bức xạ dung dịch polymer tan trong nước 16

2.3.3.3 Copolymer hóa ghép bức xạ 17

2.4 Mụn xơ dừa 17

2.4.1 Giới thiệu mụn xơ dừa 17

2.4.2 Ứng dụng của mụn xơ dừa 18

2.5 Tổng quan về chitosan 19

2.5.1 Lịch sử phát triển của chitosan 19

2.5.2 Khái niệm về chitin 19

2.5.3 Khái niệm về chitosan 20

2.5.4 Phương pháp chế tạo chitosan 20

2.5.5 Ứng dụng của chitosan 21

2.6 Acrylic acid 21

2.7 Một số nghiên cứu hiện nay sử dụng hydrogel xử lí môi trường 22

2.7.1 Nghiên cứu ở trong nước 22

2.7.2 Nghiên cứu ở nước ngoài 22

vi

CHƯƠNG 3 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 24

3.1 Thời gian và địa điểm nghiên cứu 24

3.2 Vật liệu nghiên cứu 24

3.2.1 Vật liệu thí nghiệm 24

3.3 Phương pháp nghiên cứu 25

3.3.1 Chế tạo vật liệu hydrogel bằng kĩ thuật bức xạ 25

3.3.1.1 Thí nghiệm 1: Chế tạo hydrogel từ mụn dừa ghép AAc 25

3.3.1.2 Thí nghiệm 2: Chế tạo hydrogel từ mụn dừa ghép AAc bổ sung chitosan 27

3.3.2 Khảo sát khả năng hấp thụ asen 28

3.3.2.1 Thí nghiệm 3: Khả năng hấp thụ As5+ theo các mẫu hydrogel khác nhau 28

3.3.2.2 Thí nghiệm 4: Khả năng hấp thụ As5+ của hydrogel theo nồng độ As5+ 29

3.3.2.3 Thí nghiệm 5: Khả năng hấp thụ As5+của hydrogel theo thời gian hấp thụ 30

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 31

4.1 Chế tạo vật liệu hydrogel bằng kĩ thuật bức xạ 31

4.1.1 Thí nghiệm 1: Chế tạo vật liệu hydrogel từ mụn dừa ghép AAc 31

4.1.2 Thí nghiệm 2: Chế tạo vật liệu hydrogel từ mụn dừa ghép AAc chitosan 34

4.2 Khảo sát khả năng hấp thụ asen của hydrogel 39

4.2.1 Thí nghiệm 3: Khảo sát khả năng hấp thụ As5+ theo mẫu hydrogel 39

4.2.2 Thí nghiệm 4: Khả năng hấp thụ As5+ của hydrogel theo nồng độ As5+ 40

4.2.3 Thí nghiệm 5: Khả năng hấp thụ As5+ của hydrogel theo thời gian hấp thụ 41

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 43

5.1 Kết luận 43

5.2 Đề nghị 43

TÀI LIỆU THAM KHẢO 44 PHỤ LỤC

GF-AAS Graphite Furnace Atomic Absorption Spectrometry

ix

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Trang

Hình 1.1Vòng tuần hoàn của asen trong tự nhiên 6

Hình 1.2Asen trong nước ngầm do các nguồn khác nhau gây ra trên thế giới 7

Hình 1.3Phân bố asen trong các thủy vực 7

Hình 1.4Công thức cấu tạo chitin, chitosan 20

Hình 4.1Vật liệu hydrogel sau khi chế tạo ở liều xạ ở liều 12 kGy 31

Hình 4.2 Sự hình thành gel ở các tỉ lệ mụn dừa và AAc khác nhau ở các liều xạ 32

Hình 4.3 Độ trương nước của hydrogel chế tạo từ mụn dừa ghép AAc 33

Hình 4.4 Sự hình thành gel ở các tỉ lệ mụn dừa và AAc khác nhau có chitosan 35

Hình 4.5Độ trương nước của hydrogeltừ mụn dừa ghép AAc có chitosan 35

Hình 4.6 Hàm lượng gel của vật liệu hydrogel có và không có bổ sung chitosan 36

Hình 4.7Hydrogel từ mụn dừa tỉ lệ mụn dừa/AAc 1/6 liều xạ 12 kGy 37

Hình 4.8 Hydrogel từ mụn dừa tỉ lệ mụn dừa ghép AAc liều xạ 12 kGy 37

Hình 4.9 Độ trương nước của vật liệu hydrogel có và không có chitosan 38

Hình 4.10Khả năng hấp thụ As5+ của các hydrogel chế tạo 39

Hình 4.11Khả năng hấp thụ As5+ của hydrogel theo nồng độ As5+ ban đầu 41

Hình 4.12Khả năng hấp thụ As5+ của hydrogel theo thời gian hấp thụ 42

Ngày nay, với sự phát triển công nghiệp, đô thị và sự bùng nổ dân số đã làm cho nguồn nước ngày càng ô nhiễm Ở TP HCM, hầu hết các con sông, con rạch đều bị nhiễm bẩn mà nguồn thải ra phần lớn là các nhà máy, khu công nghiệp, cơ sở sản xuất

Sự ô nhiễm này sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến nguồn nước sinh hoạt của người dân Trong các tác nhân gây ô nhiễm thì ô nhiễm kim loại nặng độc như asen đặc biệt nghiêm trọng Các kim loại nặng ô nhiễm nước thải và nước sinh hoạt nếu vượt quá tiêu chuẩn cho phép thì ảnh hưởng xấu đến sức khỏe

Hiện nay,ô nhiễm môi trường ngày càng trầm trọng Song song với việc bảo vệ, thì việc xử lí, loại bỏ các tác nhân gây ô nhiễm cũng đã và đang thực hiện triệt để Bên cạnhcác biện pháp xử lí truyền thống thì công nghệ bức xạ hứa hẹn sẽ là một hướng đi mới Công nghệ bức xạ có rất nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực đời sống như: công nghiệp, nông nghiệp, y tế, bảo vệ môi trường Trong lĩnh vực bảo vệ môi trường, công nghệ bức xạ cũng đã thực hiện các quá trình polymer hóa và biến tính ghép cũng như khâu mạch đã tạo ra nhiều vật liệu mới có tính năng đặc biệt: tính chất hấp thu - trương nước, bền nhiệt, bền với môi trường, bền cơ lí, có khả năng hấp thu và ly giải các kim loại nặng Tính chất hấp thu - trương nước đều có trong một loại vật liệu đó là hydrogel

Bên cạnh các nguyên vật liệu cơ bản, hiện đại thì cácphụphẩmnôngnghiệpcũng

đã đượcnghiêncứunhiềutrong việc xử lí nước với nhiều ưu điểm Đặc biệt một trong những nguồn phụ phẩm nông nghiệp làmụn dừathì thànhphần gồmcácpolymernhư cellulose,hemicelluloses,pectin,ligninvà protein đãđược nghiên cứuchothấycókhả năngtáchcáckimloại nặng trong đó có asen hòatantrong nước

2

Việc kết hợp những tính năng của mụn dừa như trên với các tính chất ưu việt của vật liệu hydrogel cùng với công nghệ bức xạ hứa hẹn sẽ tạo ra một loại vật liệu mới mang nhiều lợi ích

Trên tinh thần tìm hiểu về hydrogel được chế tạo từ phương pháp biến tính ghép bức xạ, cũng như nhận thấy khả năng ứng dụng thực tiễn cao của nghiên cứu này và dưới sự hướng dẫn của TS Lê Quang Luân - Trung tâm Hạt nhân TP Hồ Chí Minh,

đề tài: “Nghiên cứu chế tạo vật liệu hydrogel từ mụn dừa bằng phương pháp ghép bức

xạ để hấp thụ asen” đã được thực hiện

1.2 Mục tiêu của đề tài

Mục tiêu bước đầu chế tạo được vật lệu hydrogel mới từ một phụ phẩm nông nghiệp phổ biến là mụn dừa Sử dụng công nghệ bức xạ vào việc khâu mạch polymer tạo vật liệu mới Sau khi chế tạo nhằm thử nghiệm đặc tính của hydrogel để hấp thụ kim loại nặng độc cụ thể là asen

1.3 Nội dung thực hiện

Thành phần hydrogel được phối trộn với các tỉ lệ thành phần khác nhau Sau đó, tiến hành biến tính ghép bức xạ nhờ nguồn bức xạ gamma Co-60 ở những dải liều khác nhau để khảo nghiệm việc tạo thành gel

Tiếp sau việc chế tạo, tiến hành đánh giá, so sánh việc hình thành gel ở các mẫu Giai đoạnquan trọng cuối cùng của nghiên cứu là thử nghiệm khả năng hấp thụ asen của các vật liệu hydrogel theo các tiêu chí khác nhau

3

Chương 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

2.1 Kim loại nặng và ô nhiễm kim loại nặng

2.1.1 Tổng quan về kim loại nặng

Thuật ngữ “kim loại nặng” dùng để chỉ bất kỳ nguyên tố kim loại mà có tỉ trọng tương đối cao và độc hoặc độc ngay cả ở nồng độ thấp (Lenntech, 2004) Ngoài ra, kim loại nặng là những kim loại có khối lượng riêng lớn hơn 5 g/cm3 chỉ gồm những kim loại hoặc các á kim liên quan đến sự ô nhiễm và độc hại Tuy nhiên chúng cũng bao gồm những nguyên tố kim loại cần thiết cho một số sinh vật ở nồng độ thấp (Adriano, 2001) Kim loại nặng chủ yếu được chia làm 3 loại: các kim loại độc (As,Hg, Cd, Co, Cr, Cu, Ni, Pb, Sn, Zn), những kimloại quý (Au, Ag, Pd, Pt, R), các kim loại phóng xạ (U, Th, Ra, Am)(Bishop, 2002)

Kim loại nặng hiện diện trong tự nhiên trong khí quyển, thủy quyển, địa quyển

và sinh quyển và hàm lượng của chúng thường tăng cao do tác động của con người (Pendias và Adriano, 1995)

Cũng như nhiều nguyên tố khác, các kim loại nặng cần thiết hoặc không cần thiết đối với sinh vật và con người Những kim loại cần thiết cho sinh vật ở một hàm lượng nhất định nào đó, nếu ít hơn hoặc nhiều hơn lại gây tác động ngược lại Kim loại hiện diện với lượng ít hơn 100 phần triệu thì được gọi là kim loại vết và được gọi là cần thiết khi: kim loại hiện diện trong bộ phận khỏe mạnh và thường xuất hiện trong tế bào khi mới sinh ra Trong quá trình sinh trưởng phát triển thì có sự cân bằng trong hệ tuần

và bài tiết và cần phải biết được chức năng sinh học Ngược lại các kim loại không cần thiết cho sự sống, khi đi vào cơ thể sinh vật ngay cả dạng vết cũng gây tác động độc hại Kim loại nặng gây độc hại với môi trường và đối với cơ thể sinh vật khi hàm lượng của chúng vượt quá tiêu chuẩn cho phép

2.1.2 Tính chất của kim loại nặng

Kim loại nặng không bị phân hủy sinh học (Tam và Wong, 1995), không độc khi

ở dạng nguyên tố tự do nhưng nguy hiểm đối với sinh vật sống khi ở dạng cation do khả năng gắn kết với các chuỗi carbon ngắn dẫn đến sự tích tụ trong cơ thể sinh vật sau nhiều năm (Shahidul và Tanaka, 2004) Đối với con người, có khoảng 12 nguyên

tố kim loại nặng gây độc như: As, Pb, Hg, Ni Một số kim loại nặng được tìm thấy trong cơ thể và cần thiết cho sức khỏe con người như: Fe, Zn, Mg, Co, Cu mặc dù với

4

lượng rất ít nhưng có vai trò trong quá trình chuyển hóa Tuy nhiên, ở mức thừa của các nguyên tố thiết yếu gây nguy hại đến đời sống của sinh vật (Foulkes, 2000).Các nguyên tố kim loại không thiết yếu và gây độc tính cao khi hiện diện trong cơ thể, tuy nhiên tính độc chỉ thể hiện khi chúng đi vào chuỗi thức ăn Chúng đi vào cơ thể qua các con đường hấp thụ của cơ thể như: hô hấp, tiêu hóa và qua da Nếu kim loại nặng

đi vào cơ thể và tích lũy bên trong tế bào lớn hơn sự phân giải chúng thì chúng sẽ tăng dần và sự ngộ độc sẽ xuất hiện (Foulkes, 2000) Do vậy người ta bị ngộ độc không những với hàm lượng cao của kim loại nặng mà cả khi với hàm lượng thấp và thời gian kéo dài sẽ đạt đến hàm lượng gây độc

2.1.3 Ô nhiễm kim loại nặng

2.1.3.1 Nguồn gốc ô nhiễm kim loại nặng

Các kim loại nặng, chúng tồn tại khắp nơi và có mặt hầu hết trong các chất thải rắn, khí, lỏng công nghiệp và đời sống sinh hoạt con người Hàm lượng của chúng ở nhiều thủy vực, khu dân cư nằm kề gần các khu công nghiệp không ngừng tăng lên và

có nơi đã đến mức báo động (Nguyễn Phước Hòa, 2012) Một số nguồn gây ô nhiễm kim loại nặng chính như:

Hoạt động nông nghiệp: Các hóa chất như asenate, calcium asenate và đồng sulfate được dùng để trừ nấm bệnh cây trồng Lượng thuốc phun thường lớn, đến 8,7 kg/ha/năm;2,7 với asen; 7,5 với kẽm và 3,5 với đồng Do các nguyên tố này bị liên kết tạo phức bởi các chất hữu cơ trong đất và bởi các bề mặt trao đổi ion khác với hạt keo đất, chúng rất ít hòa tan và có xu hướng tích tụ lại trong đất Ví dụ, nồng độ asen lớn đến 126 ppm được tì thấy trong bề mặt của vườn táo ở Ontario so với mức nền là asen

là nhỏ hơn 10 ppm (Frant và ctv, 1976)

Quá trình khai thác quặng và sản xuất kim loại: quặng kim loại sau khi khai thác được đưa đến một sàng, nghiền tách thành các phần nhỏ, việc nghiền và làm giàu sẽ tạo ra một lượng lớn chất thải Trong quá trình nấu quặng, tinh luyện sẽ phóng thích một lượng kim loại ra môi trường Sau khi luyện tinh kim loại được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau Tất cả các quá trình trên đều gây ô nhiễm kim loại ra môi trường

Các kim loại nặng từ khói thải giao thông:sự ô nhiễm kim loại nặng trong đất, thực vật và khí quyển tại cácgiao lộ đường cao tốc đông đúc do khói bụi từ các phương tiện giao thông thải ra một lượng kim loại đáng kể

5

Ô nhiễm kim loại nặng tự nhiên: sự phát xạ của các nguyên tố độc trong tự nhiên xuất hiện do sự phun núi lửa và sự dễ bay hơi của các kim loại như As, Hg và Se Sự ô nhiễm nặng nề kim loại nặng tại một số nơi thường đưa đến hậu quả là cây cối tích lũy một lượng lớn kim loại đó Hiện tượng này được gọi riêng là nhóm siêu tích tụ

2.1.3.2 Ảnh hưởng kim loại nặng đối với con người, sinh vật và môi trường

Nhiều nghiên cứu cho thấy, các kim loại nặng là một trong những nguồn gây ô nhiễm cho môi trường, có khả năng tích lũy và rất khó phân hủy, có khả năng gây độc cho hầu hết các sinh vật trên cạn, dưới nước, trong đó có cả con người bởi sự nhiễm bẩn và hấp thụ Theo con đường tích lũy thực phẩm qua chuỗi thức ăn, các kim loại nặng tồn tại trong môi trường khí, rắn và lỏng tích lũy ở các mô cơ, xương, tim, bộ phận sinh dục, cơ quan tiêu hóa của các động, thực vậtthủy sản và vận chuyển qua cho người Đặc biệt là As, Cd, Pb không có chức năng sinh học trong cơ thể người và chúng rất độc ngay cả ở lượng vết (Nguyễn Phước Hòa, 2012)

2.1.4 Tính chất và tác hại của asen

Asen phân bố nhiều nơi trong môi trường, chúng được xếp thứ 20 trong những nguyên tố hiện diện nhiều trong lớp vỏ của trái đất, hiện diện ít hơn Cu, Sn nhưng nhiều hơn Hg, Cd, Au, Ag, Sb, Se (Bissen và Frimmel, 2003) Nguồn asen khổng lồ phóng thích vào khí quyển bởi quá trình tự nhiên là hoạt động của núi lửa Khi núi lửa hoạt động, một lượng lớn asen khoảng 17.150 tấn phóng thích vào khí quyển (Matschullat, 2000) Trong môi trường tự nhiên, asen chủ yếu liên kết với các khoáng

mỏ sunfide Hàm lượng asen tự nhiên trong đất nói chung biến động từ 0,1 - 40 mg/kg (Tamaki và Frankenberger, 1992) Hàm lượng asen trong đất trung bình 2,2 - 25 ppm (Murray, 1994) Các nguồn hình thành và sự phân bố của asen trên thế giới được tổng hợp trong Hình 1.1

Asen tồn tại trong môi trường tự nhiên ở 5 dạng hoá trị: -3, 0, +2, +3 và +5 Trong nước dưới đất chủ yếu chúng tồn tại dưới 2 dạng As3+, As5+ Các dạng khác ít tồn tại trong môi trường nước Hơn nữa, các kết quả phân tích cho thấy asen chủ yếulà asen vô cơ Asen hữu cơthường tồn tại dưới dạng monomethylasen acid và dimethyl asen acid được sinh ra do hoạt động của vi sinh vật

6

Hình 1.1 Vòng tuần hoàn của asen trong tự nhiên(Mandal và Suzuki, 2002)

Điều kiện oxy hóa - khử rất quan trọng và có tính chất quyết định đến dạng tồn tại của asen trong nước.Dạng tồn tại của asen phụ thuộc điều kiện thế oxy hóa khử Eh

và pH Asen hoá trị 0 được tồn tại trong điều kiện Eh và pH thay đổi Eh giảm và pH tăng với một khoảng hẹp (Phạm Quý Nhân, 2008) Trong môi trường khử, asen chủ yếu tồn tại dạng ở dạng asenite As3+, còn trong môi trường oxy hóa, asen chủ yếu gặp dạng asenate As5+ Tỉ lệ của As3+ và As5+ là khác nhau do điều kiện oxy hoá khử, hoạt động của vi sinh vật và sự khuếch tán, đối lưu của oxy từ khí quyển (Smedley và Kinniburgh, 2002)

Một số hoạt động công nghiệp của con người gây ô nhiễm asen vào môi trường như khai thác quặng mỏ, luyện kim Khoảng 62.000 tấn asen phóng thích vào môi trường hàng năm từcác hoạt động này (Bissen và Frimmel, 2003) Bên cạnh đó hoạt động đốt các nhiên liệu hóa thạch từ nhà máy điện, hộ gia đình Trong nông nghiệp sửdụng thuốc diệt nấm, thuốc trừcỏ, thuốc diệt côn trùng vàcác loại thuốc trừsâu hữu cơkhác có chứa các hợp chất asen hữu cơ (Bissen và Frimmel, 2003)

Trên thế giới đã có hàng chục triệu người nhiễm các bệnh liên quan đến asen Một số nước có hàm lượng asen rất cao trong nguồn nước sinh hoạt như: Canada, Chile, Argentina, Bangladesh, Trung Quốc, Indonesia Tại Argentina số bệnh nhân nhiễm độc cũng lên tới 20.000 người Ở Mỹ, trên 3 triệu người dân Mỹ có nguy cơ nhiễm độc asen Còn tại Nhật Bản, từ năm 1971 đến năm 1995 đã có 217 người tử vong vì asen (Nguyễn Mạnh Khải và ctv, 2010)

7

Hình 1.2Asen trong nước ngầm do các nguồn khác

nhau gây ra trên thế giới (Smedley và ctv, 2002)

Tại Việt Nam, hiện nay các vùng nông thôn phần lớn vẫn sử dụng nước ngầm trong sinh hoạt Tuy nhiên, nguồn nước ngầm tại nhiều nơi cũng đang đối mặt với tình trạng ô nhiễm asen đáng lo ngại.Hiện nay, số người có nguy cơ mắc bệnh do tiếp xúc với asen lên tới 10 sông Hồng: Hà Nội, Hà Nam, Nam Định, Hà Tây, Hưng Yên, Hải Dương và các tỉnh An Giang, Đồng Tháp đều bị nhiễm asen rất cao Tỉ lệ các giếng có nồng độ asen từ 0,1mg/l đến trên 0,5 mg/l (cao hơn Tiêu chuẩn cho phép của Việt Nam và WHO từ 10 đến 50 lần) của các xã dao động từ 59,6 - 80% (Phạm Quý Nhân, 2008) Trước đó Đồng bằng Bắc Bộ của Việt Nam cũng đã có dấu đỏ trên bản đồ ô nhiễm asen trong nước ngầm của thế giới kể từ khi Berg và các cộng sự công bố kết quả điều tra tại khu vực Hà Nội (Berg và ctv, 2001)

Hình 1.3 Phân bố asen trong các thủy vực (a) Phân bố As trong nước ngầm khu vực

Hà Nội tháng 9/1999; (b) Phân bố As trong các lưu vực sông Nam Hymalaya

(Berg và ctv, 2001)

8

Tính độc của asen đối với con người phụ thuộc rất nhiều vào bản chất của các hợp chất mà nó hình thành, đặc biệt là hoá trị Asen hoá trị 3 độc hơn rất nhiều so với asen hoá trị 5 Liều lượng gây chết người khoảng 50 - 300 mg nhưng phụ thuộc vào từng cá thể (Clark và ctv, 1997) Những biểu hiện của ngộ độc asen mãn tính bao gồm: yếu ớt, mất phản xạ, mệt mỏi, viêm dạ dày, viêm ruột kết, chán ăn, giảm cân, rụng tóc Con người bị nhiễm độc asen lâu dài qua thức ăn hoặc không khí dẫn đến các bệnhvề tim mạch, rối loạn hệ thần kinh, rối loạn tuần hoàn máu, móng giòn dễ gãy với những vạch trắng ngang móng, rối loạn chức năng gan, thận (Bissen và Frimmel, 2003) Ngộ độc asen cấp tính gây buồn nôn, khô miệng, khô họng, rút cơ, đau bụng, ngứa tay, ngứa chân

2.1.5 Xử lí độc tính kim loại nặng

Xử lí phơi nhiễm kim loại nhằm bảo vệ hoặc hoặc giảm độc tính được thực hiện bởi các hợp chất có khả năng tạo phức với kim loại Tạo phức là sự hình thành một phức hợp ion kim loại mà trong đó ion kim loại như là một chất cho điện tử Kim loại phản ứng với chất gắn kết có chứa O-, S- và N- (-OH, -COOH, -S-S- và -NH2) Các chất sau khi tạo phức với kim loại di chuyển đến nơi tích lũy, tạo thành các phức hợp không độc và không sẵn sàng liên kết với các kim loại khác và dễ dàng bị cô lập hoặc đào thải

2.1.6 Phương pháp quang phổ hấp thu nguyên tử

Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử dựa trên sự hấp thụ chọn lọc các bức

xạ cộng hưởng của nguyên tử ở trạng thái tự do của nguyên tố cần xác định Đối với mỗi nguyên tố vạch cộng hưởng thường là vạch quang phổ nhạy nhất của phổ phát xạ nguyên tử của chính nguyên tố đó

Ưu điểm của phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử lò graphite (GF-AAS):

có độ nhạy rất cao cỡ ppb, có khi gấp hàng ngàn lần phép đo F-AAS Do đó khi phân tích hàm lượng vết các kim loại trong các mẫu thực phẩm, được phẩm, máu nước tiểu không cần phải làm giàu mẫu Phép đo đòi hỏi lượng mẫu nhỏ, mỗi lần đo chỉ cần từ

20 µl - 50 µl dung dịch mẫu Do đó không cần lượng lớn mẫu phân tích, tốn ít hóa chất cũng như các dung môi tinh khiết cao đắt tiền Thao tác dễ dàng và xác định liên tiếp nhiều nguyên tố trong cùng một mẫu, kết quả phân tích ổn định, sai số nhỏ

9

Nhược điểm: do có độ nhạy caonên để tránh sự nhiễm bẩncác dụng cụ hóa chất phải có độ tinh khiết cao Ảnh hưởng của phổ nền lớn, nhưng hiện nay đã khắc phục bằng các hệ thống bổ chính nền đảm bảo độ nhạy cỡ ppb đối với nhiều nguyên tố

2.2 Tổng quan về hydrogel

2.2.1 Khái niệm và phân loại hydrogel

Hydrogel là các gel được hình thành từ các polymer mang các nhóm phân cực như COO-, HSO3-, -CONH2 có cấu trúc không gian ba chiều nhờ được khâu mạch bởi các monomer lưỡng chức Hydrogel trương mà không tan trong nước và duy trì một lượng nước lớn trong cấu trúc của chúng, thậm chí dưới áp lực.Hydrogel còn là thuật ngữ để miêu tả một loại vật liệu có cấu trúc không gian ba chiều được tạo thành từ polymer tổng hợp và/hoặc polymer nhân tạo, hydrogel hấp thu và duy trì một lượng lớn nước (Rosiak và Yoshii, 1999)

Hydrogel biểu hiện thuộc tính dễ hấp thụ nước dẫn đến làm trương nở thể tích, nhưng không bị hòa tan trong môi trường nước Tính chất ưa nước của vật liệu này có được là do cấu trúc của nó có các nhóm chức như: hydroxyl -OH, cacboxylic -COOH, amide -CONH2, sulphonic -SO3H, amin -NH2 ( Trần Minh Đức, 2011) Các nhóm ưa nước trong hydrogel giúp hydrogel hấp thu nước có khối lượng gấp hàng nghìn lần so với khối lượng khô ban đầu

Có nhiều cách để phân loại hydrogel phổ biến hiện nay

Hydrogel tự nhiên và hydrogel tổng hợp

Hydrogel trung tính và hydrogel ion

Hydrogel nhạy nhiệt, nhạy pH, cường độ ánh sáng

Hydrogel được phân loại theo tên của các monomer dùng để tổng hợp như hydrogel trên cơ sở 2-Hydroxyethymethacrylate, N - isopropylacrylamide

2.2.2 Tính chất trương nước của hydrogel

Một trong các tính chất quan trọng nhất của hydrogel là khả năng trương trong nước Khi hydrogel tiếp xúc với các phân tử nước, các phân tử nước sẽ tương tác với

bề mặt của hydrogel và thấm vào trong cấu trúc của nó Trong quá trình trương của hydrogel, pha cao su (rubbery phase) sẽ tách ra khỏi pha thủy tinh (glassy phase, chưa

bị hydrat hóa) Kích thước của lỗ xốp bắt đầu nở rộng ra, cho phép các phân tử nước khác tiếp tục thấm sâu vào trong cấu trúc của gel Trong quá trình trương của hydrogel, hai lực tương tác ảnh hưởng lên mức độ trương là lực đàn hồi của hydorgel

10

và áp suất thẩm thấu (lực thẩm thấu) Lực đàn hồi phụ thuộc vào bản chất của hydrogel, mức độ khâu mạng Trong khi đó áp suất thẩm thấu phụ thuộc nồng độ ion trong môi trường trương, hàm lượng nhóm chức tích điện bên trong cấu trúc hydrogel

Có ba yếu tố chính ảnh hưởng đến độ trương của hydrogel:

Mức độ khâu mạng: đây là một trong các yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến khả năng trương của hydrogel Mức độ khâu mạng càng cao làm cho cấu trúc mạng của hydrogel trở nên cứng hơn, độ linh động của mạch polymer giảm xuống Vì vậy

độ trương của hydrogel giảm

Cấu trúc hóa học của hydrogel: cấu trúc hóa học của polymer cũng ảnh hưởng đến khả năng trương của hydrogel Hydrogel có nhóm chức ưa nước có độ trương cao hơn so với hydrogel chứa nhóm chức kị nước Hydrogel càng có nhiều nhóm chức ưa nước thì độ trương càng cao

Tác nhân bên ngoài: độ trương trong nước của các hydrogel cũng bị ảnh hưởng bởi tác nhân môi trường bên ngoài Có rất nhiều tác nhân môi trường bên ngoài ảnh hưởng đến độ trương của hydrogel như: nhiệt độ, pH, lực ion, từ trường, điện trường, UV-Vis, đường glucose, ion kim loại

2.2.3 Các phương pháp chế tạo hydrogel

Một số phương pháp để chế tạo hydrogel như: vật lí, hóa hóa học, ghép polymer hóa, khâu mạch bức xạ Hydrogel được tổng hợp bằng phương pháp chính là hóa học

và phương pháp bức xạ Tùy thuộc vào bản chất polymer mà sử dụng một trong hai phương pháp trên Hydrogel được chế tạo bằng các khâu mạch polymer như:polyacrylic acid (PAA) (Onuki và ctv, 2008), polyethylene glycol (PEG), polylactic acid (PLA) hoặc các polymer sinh học tự nhiên như: alginate, chitosan và carboxymethyl cellulose

2.2.3.1 Chế tạo hydrogel bằng phương pháp hóa học

Khâu mạch polymer được thực hiện dựa vào việc ghép các monomer lên trục polymer hoặc sử dụng các tác nhân để nối hai chuỗi polymer với nhau Các polymer tự nhiên hoặc tổng hợp phải có các nhóm như OH, COOH và NH2 với tác nhân liên kết nhưaldehyde (glutaraldehyde, adipic acid dihydrazide) Khâu mạch hóa học: trùng hợp một monomer với một polymer rắn khác để hình thành nên cấu trúc mạng và tương tác

kị nước (Hennink và Nostrum, 2002) kết hợp một cực ưa nước bằng cách thủy phân hoặc quá trình oxy hóa bởiliên kết cộng hóa trị.Hydrogel được tổng hợp bằng phương

11

pháp hóa học từ các monomer ưa nước như acrylamide/acrylic acid và dẫn xuất của

nó Một phương pháp phổ biến khác là khâu mạch chiều dài tự nhiên hoặc tổng hợp polymer bằng hợp chất đa hóa trị Khâu mạch bằng phương pháp hóa học thực hiện được trong trạng thái lỏng

Hạn chế của phương pháp hóa học có hạn chế là phải sử dụng các hóa chất, vì vậy sản phẩm cần phải được tinh sạch, biến đổi trước khi sử dụng Tồn dư hóa chất trong sản phẩm, độ tinh khiết không cao Vì vậy phương pháp bức xạ đã và đang có nhiều ưu điểm hơn so với phương pháp hóa học

2.2.3.2 Chế tạo hydrogel bằng phương pháp bức xạ

Phương pháp bức xạ được bắt đầu thực hiện bằng việc sử dụng bức xạ năng lượng cao như tia gamma và chùm điện tử Phương pháp này chủ yếu dựa vào việc tạo các gốc tự do trong polymer sau khi chiếu xạ bởi các nguồn năng lượng cao như tia gamma, tia X hoặc chùm tia điện tử Tác động của bức xạ (trực tiếp hoặc gián tiếp) sẽ phụ thuộc vào môi trường của polymer (dung dịch loãng, dung dịch đậm đặc, trạng thái rắn).Chiếu xạ polymer trong dung dịch pha loãng sẽ tác động gián tiếp làm thay hóa học Sự phân ly nước do bức xạ tạo ra gốc tự do tương tác với các polymer tan Hydrogel CMC ghép với AAc trong dung dịch bằng cách chiếu xạ Chùm tia điện tử đã được sử dụng để trùng hợp gốc tự do của AAc trên trục của CMC Chiếu xạ CMC và AAc sẽ tạo ra các gốc tự do kết hợp để tạo hydrogel Ứng dụng sẽ hứa hẹn việcchế tạo hydrogel từ AAc để hấp thụ lại các kim loại nặng như: đồng, niken, asen

và chì (Yoshii và ctv, 1999)

Trong hai phương pháp tổng hợp hydrogel thì phương pháp bức xạ mang nhiều

ưu điểm trong việc tạo hydrogel.Phương pháp bức xạ được sử dụng rộng rãi công nghệ

vì không sử dụng các chất phụ gia hóa học và do đó giữ lại khả năng tương tác sinh học của các polymer sinh học Ngoài ra sản phẩm tạo ra không cần chi phí biến đổi hay khử trùng (Lugao và Malmonge, 2001) Bức xạ ion hóa rất phù hợp cho việc chế tạo hydrogel và tiệt trùng trong một bước công nghệ, không cần thêm chất xúc tác, tác nhân khâu mạch dẫn đến hạ giá thành sản phẩm Trong kĩ thuật bức xạchất xúc tácvàmối liên kếtchéolà không cần thiếtbởi vìbức xạ ion hóacó năng lượng cao(Jabbari vàNozari, 2000)

12

Các polymer tự nhiên hoặc polymer tổng hợp khi được chiếu xạ sẽ tạo hydrogel Mẫu được chiếu xạ ở trạng thái lỏng hoặc rắn.Vì những ưu điểm trên mà chọn phương pháp chiếu xạ trong việc tổng hợp hydrogel

2.2.4 Thành tựu và ứng dụng của hydrogel

Do khả năng hấp thụ nướcvà tương tác sinh học cao hydrogelđã được sử dụng trong công nghệ sinh học, y học, nông nghiệp, cấy ghép, hệ thống tiêm polymer, lai cơ quan (Benamer và ctv, 2006; Nho và ctv, 2005; Rosiak và ctv, 1995; Rosiak và Yoshii, 1999).Bản chất của hydrogel chính là khả năng hấp thụ dung môi của các ion có độ dài mạch khác nhau hoặc pH khác nhau được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp như vật liệu siêu hấp thụ nước dùng làm màng vi lọc, siêu lọc thấm khí, thẩm tích thuận nghịch các quá trình tách chiết Trong lĩnh vực ysinh, hydrogel được dùng trong chuẩn đoán, điều trị tạo vật liệu cấy ghép, tạo da nhân tạo, màng chữa bỏng, màng lọc máu, các hệ ly giải có điều khiển vật liệu trong nha khoa, mô ghép, ứng dụng trong việc chữa trị mắt và nhiều ứng dụng khác

Trong nông nghiệp vật liệu hydrogel siêu trương nước chế tạo bằng kĩ thuật khâu mạch, ghép bức xạ dùng như chất giữ nước, giữ dinh dưỡng cho các vùng khô hạn, chất phụ gia chống xói mòn đất Vật liệu hydrogel cũng được ứng dụng trong nuôi trồng thủy canh Vật liệu hydrogel với thành phần và liều chiếu xạ thích hợp sẽ phù hợp cho sự sinh trưởng và phát triển của cây trồng

Vật liệu hydrogel dùng trong xử lí nước thải: một số hydrogel được ứng dụng: Hydroxyethyl methacrylate được tạo ra vàtương thích sinh học Poly(2- hydroxyethyl methacrylate) thì trơ đối với các quá trình sinh học bình thường, vì vậy chúng có khả năng chống bị cơ thể phân hủy và hấp thụ (Isik, 2000) Hydrogel polyacrylamide là vật liệu hút nước và có nhiềutính chất hóa họcvà vật lí hữu ích,đã được ứng dụngcủa như làmột loại polymerthông minh (Li và ctv, 2002)

2.2.5 Tính chất của hydrogel dùng để hấp thụ kimloại

Các nhóm ưa nước có khả năng loại bỏ kim loại, ion độc hại và chúng hấp thụ một lượng nước lớn và trương lên (Ozay và ctv, 2009; Satarkar và Hilt, 2008) Hơn nữa, các hydrogel được biến đổi với các nhóm chức năng mới hoặc sử dụng như vật liệu tổng hợp để tăng cường khả năng hấp thụ kim loại và tính linh động (Ozay và ctv, 2009; Pekel và ctv, 2001) Ngoài ra, sự hiện diện củanhóm chức năngion hóatạo chohydrogelđể hấp thụvàgiữnhiều loạichất gây ô nhiễm Do đó,hydrogelđược xem

13

nhưcácchất hấp thụtrong tương laiđã thu hút nhiềuchú ýtrongnhững năm gần đâychoviệc loại bỏ cácchất gây ô nhiễm, như các kim loại nặng, thuốc nhuộm, ion ammonium Hydrogelanionnhưpolyacrylatelàrộng rãi nhấtchất hấp phụđược sử dụngđể loại bỏcác chất ô nhiễmđộc hạihoặcphục hồicác ionkim loại quýtừmột dung dịch nước

2.3 Công nghệ bức xạ

2.3.1 Khái niệm công nghệ bức xạ

Công nghệ bức xạ (CNBX) là một môn khoa học mới nghiên cứu ứng dụng các hiện tượng vật lí, hóa học, sinh học và một số hiệu ứng khác xuất hiện khi bức xạ truyền năng lượng cho vật chất nhằm biến các hiệu ứng này thông qua các quá trình công nghệ để tạo ra các sản phẩm với những phẩm chất, tính năng và công dụng mới phục vụ cho con người Sự ra đời của ngành công nghệ bức xạ là kết quả của sự giao nhau và kết hợp chủ yếu giữa các ngành vật lí hạt nhân, khoa học vật liệu, hóa học và sinh học Bức xạ ion hoá năng lượng cao được sử dụng để tạo ra các biến đổi ở mức nguyên tử và phân tử là các loại bức xạ alpha, bêta, gamma, tia X, nơtron, electron và ion Trong số này bức xạ gamma và electron thường được sử dụng nhiều hơn cả so với các loại bức xạ khác

Đặc điểm tương tác của bức xạ với vật chất: tương tác của bức xạ với vật chất mang tính chất tác động qua lại Vật chất làm suy giảm cường độ và năng lượng của bức xạ Bức xạ làm thay đổi cấu trúc của vật chất, gây ra các biến đổi vật lí, hoá học,sinh học và các biến đổi này phụ thuộc rất mạnh vào năng lượng và dạng bức xạ Tia gamma thuộc loại bức xạ có tính thâm nhập cao đối với vật chất

CNBX sử dụng nguồn bức xạ làm nguồn năng lượng trong quá trình nghiên cứu

và ứng dụng CNBX hiện tại chủ yếu sử dụng cácnguồn bức xạ gamma phát ra từ đồng

vị Co-60, Cr-157, chùm điện tử gia tốc từ máy gia tốc điện tử (Electron Beam) và chùm tia ion phát ra từ máy gia tốc ion (Ion Beam) Theo số liệu năm 1996, toàn thế giới có hơn 180 nguồn chiếu xạ gamma Co-60 và khoảng 700 - 800 máy gia tốc điện

từ hoạt động phục vụ cho mục đích ứng dụng công nghiệp, trong đó bao gồm ứng dụng trong lĩnh vực sinh học (Nguyễn Quốc Hiến, 1997)

Ngành CNBX Việt Nam chính thức phát triển từ năm 1983, sau khi nguồn Co-60 lắp đặt và đưa vào hoạt động tại Viện Nghiên cứu Hạt nhân Đà Lạt Đến nay thì các nhà nghiên cứu thuộc lĩnh vực CNBX ở Việt Nam đã thực hiện trên 80 đề tài, dự án

 Ứng dụng của CNBX trong các lĩnh vực

Trong nông nghiệp: cải thiện giống nông sản bằng chiếu xạ tia gamma từ nguồn Co-60 và Cs-137 sẽ tạo ra được những giống mới như: lúa, cà chua, hoa hồng, giống

mạ có khả năng chịu gió, hoa quả có khả năng chống bệnh tật tốt hơn Khi xử lí chiếu

xạ các giống hoa sẽgây ra đột biến để có những loại hoa nhiều màu sắc đẹp và hình dáng độc đáo.Đối với việc diệt trừ sâu phá hoại mùa màng và cây trồng, người ta chiếu

xạ vào sâu hại làm chúng mất khả năng sinh sản Chiếu xạ thực phẩm giúp ngăn chặn mọc mầm, giữ hoa quả lâu chín, diệt khuẩn và sát trùng Theo con số thống kê của FAO và IAEA, năm 2006 toàn thế giới có khoảng 2.600 giống cây trồng đột biến được đăng ký thuộc 169 loài, trong đó hơn 80% là đột biến phóng xạ.Phương pháp tạo giống bằng đột biến bức xạ có các ưu điểm như: tạo được tính trạng mới không có trong thực vật nguyên gốc, bổ sung các tính trạng mới, áp dụng trên bất kỳ loài cây trồng nào và thời gian lai tạo giống ngắn hơn nhiều so với các phương pháp khác

Trong công nghiệp khai khoáng và công nghiệp chế tạo, xây dựng: thiết bị phân tích nhanh nhiều nguyên tố cho ngành sản xuất xi măng, luyện kim, hóa dầu, khai thác than; phân tích các yếu tố tác động môi trường; thiết kế, chế tạo một số thiết bị đo lường, điều khiển tự động cho các dây chuyền sản xuất công nghiệp

Ứng dụng CNBX đối với vật liệu biến tính, vật liệu polymer kĩ thuật, vật liệu nano kim loại, nano composite dùng trong công nghiệp Sử dụng các tia gamma, tia proton để đo đạc chính xác độ dày của vật liệu, mật độ, hàm lượng nước Kiểm tra không phá huỷ cũng đã được sử dụng rộng rãi khi kiểm tra sự nứt vỡ của các bộ phận quan trọng mà không làm phá hỏng đối tượng kiểm tra Ngày nay phương pháp chụp ảnh phóng xạ bằng cách sử dụng nguồn bức xạ gamma Co-60 và Ir-192 được sử dụng

15

rộng rãi nhất trong bảo đảm chất lượng công trình Hơn nữa, phương pháp chiếu xạ vật liệu nhằm nâng cao cường độ, tính chịu nhiệt, khả năng chịu mài mòn của vật liệu cũng đang được sử dụng rộng rãi

Trong y học: nhánh mới của y học được gọi là "Y học hạt nhân" Dùng dược phẩm phóng xạ cho chẩn đoán những bệnh xác định, theo dõi và nhận diện sự phát triển và diễn tiến của chúng, điều trị những bệnh nhất định với sự sử dụng dược phẩm phóng xạ Ứng dụng tia X và các thiết bị xạ trị Sát trùng diệt khuẩn các dụng cụ y tế bằng tia gamma không chỉ áp dụng đối với các dụng cụ thông thường mà còn áp dụng với cả với những dụng cụ có hình dáng phức tạp, cho phép tẩy sạch và khử trùng các dụng cụ y tế

CNBX ứng dụng bảo vệ môi trường: việc xử lí khói thải từ các lò đốt than và xử

lí rác thải bằng tia electron sẽ loại trừ được các loại khí gây ô nhiễm môi trường như khí SOx, NOx Các phương pháp chế biến thành phân bón như ammonium sulphate, ammonium nitrate cũng đang được triển khai Bức xạ gamma và điện tử cũng có thể được sử dụng tiêu diệt các vi sinh gây bệnh trong bùn nước thải Bùn sau xử lí như vậy

là an toàn, hoặc được sử dụng vào môi trường hoặc sử dụng như làm phân bón, thức

ăn gia súc

Nhiều năm gần đây, CNBX trở thành công cụ đổi mới trong công nghiệp, làm tăng hiệu quả công nghiệp, tăng năng suất lao động, tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường sinh thái (Trần Đại Nghiệp, 2007)

 Một số thành tựu điển hình của công nghệ bức xạ:

Thành tựu CNBX trên thế giới: một số thành tựu điển hình của CNBX trên thế giới trong thời gian gần đây như: các máy gia tốc ion nặng (máy cấy ion) có thể tạo ra

vi mạch với kích thước dưới 0,1 m Ở Nhật Bản hiện có tới 400 máy cấy ion ứng dụng trong lĩnh vực bán dẫn và vi điện tử; vật liệu sợi composit SiC là loại vật liệu sử dụng trong kĩ thuật hàng không và vũ trụ được xử lí bằng bức xạ, có thể chịu tới nhiệt

độ 1800oC, trong khi xử lí bằng nhiệt độ chỉ chịu được nhiệt độ 1200oC; 100% vật liệu vách ngăn trong các loại pin siêu nhỏ ở Nhật là vật liệu polymer xử lí bằng bức xạ; 80% bao bì thực phẩm ở Châu Âu và Bắc Mỹ được xử lí bề mặt bằng bức xạ; 90% lượng SO2 và 85% lượng NOx là những chất độc từ khói công nghiệp có thể biến thành phân bón dùng trong nông nghiệp nếu xử lí bức xạ (electron) Quá trình này cho phép giảm đáng kể hiệu ứng nhà kính của trái đất và các trận mưa acid; hàng năm kĩ thuật

16

xử lí bề mặt trên toàn thế giới sử dụng 20 triệu tấn hóa chất, trong đó 40% lượng hóa chất này bay vào khí quyển gây ô nhiễm môi trường và tạo ra hiệu ứng nhà kính Kĩ thuật xử lí bức xạ chỉ cho 1% lượng hóa chất bay vào môi trường; Trong công nghiệp sản xuất dụng cụ y tế, 40% đến 50% sản phẩm được khử trùng bằng CNBX Dự báo trong những năm tới tỉ lệ này có thể đạt tới 80% Có trên 40 nước với 120 chủng loại thực phẩm đã được chiếu xạ và thương mại hóa (Lê Thị Thùy Trang, 2009)

Các ứng dụng nổi bậc của CNBX ở nước ta tập trung chủ yếu trong lĩnh vực nông nghiệp bao gồm: chiếu xạ gây bất dục côn trùng; chiếu xạ kích thích và gây đột biến tạo các giống cây trồng mới như lúa, đậu tương, hoa cú ; chiếu xạ để bảo quản thực phẩm (gia vị, trái cây, thực phẩm đông lạnh…), khử trùng mĩ phẩm và bao bì cho thực phẩm; chiếu xạ xử lí phế thải nông nghiệp, chăn nuôi gia súc (nước thải, chất thải gia súc) (Trần Đại Nghiệp, 2007)

2.3.3 Ứng dụng của công nghệ bức xạ trong chế tạo hydrogel

2.3.3.1 Hiệu ứng khâu mạch

Thông thường, kĩ thuật bức xạ tạo ra 3 hiệu ứng: ghép mạch, cắt mạch và khâu mạch (Nguyễn Quốc Hiến, 1997) Ghép mạch là ghép polymer này với một polymer khác Cắt mạch là làm ngắn mạch đi, tạo ra nhiều đoạn mạch nhỏ hơn Khâu mạch là gắn kết các gốc tự do lại với nhau Đối với các polymer tự nhiên khi chiếu xạ, thì hầu hết quá trình cắt mạch sẽ xảy ra, dù là ở dạng dung dịch hay dạng bột Đó là quá trình biến tính cắt mạch các polymer có nguồn gốc tự nhiên để tạo ra các olygopolymer tương ứng Đến nay, các chế phẩm oligopolymer tương ứng từ chiếu xạ cắt mạch các polysaccharide (carageenen, chitosan, alginate…) được ứng dụng trong nông nghiệp

2.3.3.2 Khâu mạch bức xạ dung dịch polymer tan trong nước

Nhờ quá trình hình thành gốc tự do trong quá trình chiếu xạ mà biến tính khâu mạch được thực hiện Khi chiếu xạ dạng paste các dẫn xuất của cellulose như carboxylmethylcellulose, hydroxylpropylcellulose, carboxylmethyl chitin, carboxyl methy lchitosan thì quá trình khâu mạch lại hình thành Mật độ khâu mạch của các phân tử trong hydrogel và hàm lượng gel hình thành thường tỉ lệ thuận với liều chiếu

xạ Sản phẩm hydrogel có độ trương nước khác nhau, độ trương này thường tỉ lệ nghịch với độ khâu mạch của các phân tử trong hydrogel

Như vậy sự hình thành hydrogel bằng phương pháp bức xạ ion hóa là kết quả của quá trình tái kết hợp giữa các gốc đại phân tử Khi các tia bức xạ tương tác với hệ phản

17

ứng sẽ hình thành gốc tự do Những gốc tự do này sau đó sẽ tương tác với hàng loạt các phân tử khác có mặt trong môi trường hoặc là tái kết hợp với nhau Kết quả là hình thành các liên kết cộng hóa trị giữa các chuỗi polymer Khi trong hệ xuất hiện liên kết ngang đầu tiên, tức là hệ đã bắt đầu tạo gel Nếu hệ được tiếp tục chiếu xạ thì phần gel trong hệ sẽ tăng lên, đồng thời mật độ khâu mạch trong phần gel cũng dần dần tăng lên (Nguyễn Quốc Hiến, 1997)

2.3.3.3 Copolymer hóa ghép bức xạ

Một copolymer ghép là một polymer mà phân tử của nó chứa hai hay nhiều thành phần polymer có cấu trúc khác nhau Có thể xem copolymer ghép là sự kết hợp hóa học giữa hai phân tử polymer có cấu trúc hóa học khác nhau (Bajpai và Giri, 2003)

Có thể xem polymer ghép đóng vai trò trong khoa học polymer tương tự như hợp kim trong luyện kim.Phương pháp copolymer hóa ghép bức xạ được nghiên cứu phát triển chủ yếu dựa trên polymer hóa vinyl monomer B từ các tâm phản ứng trên Ap và kết hợp giữa hai gốc đại phân tử Ap và Bq Người ta cho rằng copolymer hóa ghép bức

xạ thường tiến hành dễ dàng hơn kĩ thuật hóa học thông thường và được phân loại gồm bốn kiểu như sau: ghép chiếu xạ trực tiếp, ghép sau chiếu xạ khơi mào bằng các nhóm peroxit, ghép sau chiếu xạ khơi mào bằng các gốc tự do bị bẫy, liên kết không gian giữa hai polymer khác nhau

Vật liệu hydrogel chế tạo từ các monomer ưa nước hoặc là khâu mạch dung dịch polymer thường không bền vững, tính chất cơ lí kém cho nên phải tiến hành ghép monomer ưa nước lên vật liệu polymer bền (Bajpai và Giri, 2003)

Nhiều chế phẩm có hoạt tính sinh học như enzyme, kháng nguyên, kháng thể được chế tạo trên cơ sở gắn lên các giá thể polymer hóa ghép bức xạ monomer ưa nước.Mức độ ghép thường được tính theo phần trăm trọng lượng (%) hoặc theo diện tích bề mặt (g/cm2).Giá thể polymer được chế tạo bằng kĩ thuật bức xạ đã được nghiên cứu và ứng dụng nhiều để làm giá thể cố định các chất có hoạt tính sinh học như tế bào

vi sinh vật, enzyme, các loại dược phẩm điều trị ung thư

2.4 Mụn xơ dừa

2.4.1 Giới thiệu mụn xơ dừa

Hiện nay, nhu cầu thị trường của mụn xơ dừa rất lớn Hiệp hội Dừa Việt Nam, năm 2010, sản lượng dừa trái cả nước đạt trên 818.000 trái, ước năm 2011 là 825.000 trái Trong đó, ước khoảng 15% số trái dừa được tiêu thụ trong gia đình, 20% dành

18

cho xuất khẩu dưới dạng dừa lột vỏ, 65% được chế biến thành các sản phẩm có giá trị cao, như cơm dừa nạo sấy, bột sữa dừa, dầu dừa

Mụn dừa là sản phẩm phụ từ công nghệ sản xuất gáo dừa, chỉ xơ dừa và được coi

là một loại bã thải nông nghiệp gây ô nhiễm đất và nguồn nước Mỗi năm, tỉnh Bến Tre sản xuất 50 - 60 ngàn tấn chỉ xơ dừa và thải ra môi trường không dưới 200 ngàn tấn mụn dừa (tỉ lệ 1/4), gây ô nhiễm nguồn nước và không khí (Bùi Quang Cư và ctv, 2009) Giá trị về nông nghiệp của mụn dừa không đáng kể, khả năng biến nó thành nguyên liệu cho công nghiệp vẫn còn đang được nghiên cứu, vấn đề xử lí loại bỏ nó còn gặp nhiều khó khăn vì nó cồng kềnh, chúng khả năng hút nước mạnh đồng thời nhả nước chậm

Đã có nhiều công trình nghiên cứu tận dụng mụn dừa làm vật liệu dùng trong xây dựng, làm màng lọc trong công nghiệp chất dẻo cứng nóng, làm chất hấp thu nitroglyxerin trong sản xuất chất nổ

Tính chất của mụn dừa: mụn dừa chứa hàm lượng lignocelluloses cao và hàm lượng tannin lớn rất khó phân hủy Với thành phần hóa học chủ yếu là vật liệu giàu xơ, phospho và kali, cũng như độ xốp lớn, khả năng giữ nước cao, mụn dừa đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau Các tính chất trao đổi hoặchấp thụlàdo sự hiện diệncủa một sốnhóm chức năngnhư:carboxylic,hydroxyl, phenolvà các nhómlactoncóái lực cao với ionkim loại Mụn xơ dừa là chất hữu cơ và có thể tái sử dụng

2.4.2 Ứng dụng của mụn xơ dừa

Cây dừa là một biểu tượng gắn liền với cuộc sống sinh hoạt của người dân, được gọi là “cây của sự sống” Đặc biệt, do tính đa năng trong việc sử dụng tất cả các bộ phận của cây Phần chỉ xơ dừa được dùng làm nguyên liệu sản xuất các loại nệm ngủ, vật liệu trang trí nội thất thân thiện với môi trường, làm lưới phủ xanh đồi trọc, bảo vệ các công trình công nghiệp dưới biển với độ bền, lâu bị phân huỷ trong môi trường nước nặng, cách âm, cách nhiệt Để phục vụ cho canh tác cây trồng thì vỏ trái dừa lại

là một nguyên liệu tự nhiên sẵn có tuyệt vời để sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau

và được coi như một loại giá thể có thể thay thế cho đất trồng

Trong công nghiệp, mụn xơ dừa cũng ứng dụng làm vật liệu nguyên liệu lọc cho thoát nước, trong việc xây dựng công nghiệp và than bánh Xơ dừa cũng được sử dụng làm vật liệu cách nhiệt, nguyên liệu cho tàu thuyền, tấm lót lọc và thảm

19

Mặt khác, mụn xơ dừa còn được sử dụng để giải quyết một vấn đề lớn về môi trường cho các nhà máy khi tham gia vào việc xử lí tiếng ồn, bụi xơ dừa hiện tại được xuất khẩu và sử dụng như thay thế cho rêu than bùn, lớp thảm phủ trên đất (thay rơm), điều hoà đất và sử dụng khác Ngoài ra, với tính chất có khả năng giữ một lượng nước gấp 8 lần khối lượng của nó và có trữ lượng rất lớn do đó hứa hẹn là nguồn nguyên liệu cho các nghiên cứu xử lí môi trường hiện nay

2.5 Tổng quan về chitosan

2.5.1 Lịch sử phát triển của chitosan

Con người từ rất sớm đã bắt đầu nghiên cứu chitosan Trong “Cương mục bản thảo” một từ điển bách khoa của Trung Quốc về dược vật học năm 1578 có ghi chép:

vỏ cua có công năng làm tiêu vết bầm tím Bản thân từ “cua” có nghĩa là “loài vật có khả năng giải độc”

Đầu thế kỷ 19, học giả người Pháp Burano đã phát hiện ra chitosan trong các loại nấm, từ đó nhân loại bắt đầu nghiên cứu và ứng dụng lâu dài Chitosan còn được gọi là chitin, xác tụ đường, xác đường an, giáp xác tố, yếu tố thứ sáu Phần lớn chitosan tồn tại trong tôm, cua, côn trùng, lá cây.Thành phần trong tự nhiên chỉ đứng sau cenllulose, ước đoán sinh vật biển khối lượng tạo thành một năm là hơn 1 tỉ tấn Hơn nữa, trong suốt hơn một thế kỷ phát hiện ra chitosan thì con người luôn cho rằng chitosan là chất bỏ đi, bởi vì nó không hoà tan trong nước, kiềm, acid và bất cứ chất nào khác, nhưng kết quả nghiên cứu cho thấy khả năng vận dụng của nó còn cao hơn cellulose rất nhiều

2.5.2 Khái niệm về chitin

Giống như cellulose, chitin là một glycan chứa liên kết (1-4), nhưng được cấu tạo bởi các đơn vị 2-acetamido-2-deoxy-D-glucose, hay còn gọi là các đơn vị N-acetylglucosamine Chitin là một polymer tự nhiên nhiều thứ hai sau cellulose Các phân tử chitin sau khi tổng hợp liên kết với nhau bằng liên kết hydro giữa các nhóm NH- trong phân tử này với các nhóm C=O của mạch lân cận Chitin có 3 dạng là,  ,

, và :

Dạng anpha có sự sắp xếp đối song của các mạch lân cận nhau (↑↓↑)

Dạng beta là kiểu hình dạng có cấu tạo mạch song song(↑↑↑)