Nghiên cứu điều chế chitosan từ chitin vỏ ghẹ và ứng dụng làm phụ gia mạ kẽm điện hóa

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG CHU VĂN TÀI NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ CHITOSAN TỪ CHITIN VỎ GHẸ VÀ ỨNG DỤNG LÀM PHỤ GIA MẠ KẼM ĐIỆN HOÁ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Đà Nẵng - Năm 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG CHU VĂN TÀI NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ CHITOSAN TỪ CHITIN VỎ GHẸ VÀ ỨNG DỤNG LÀM PHỤ GIA MẠ KẼM ĐIỆN HỐ Chun ngành: Hóa hữu Mã số: 60 44 27 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS LÊ TỰ HẢI Đà Nẵng - Năm 2013 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Người cam đoan CHU VĂN TÀI MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục đích nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Nội dung phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Cấu trúc luận văn CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 TỔNG QUAN VỀ CHITIN VÀ CHITOSAN 1.1.1 Lược sử nghiên cứu chitin-chitosan 1.1.2 Sự tồn chitin chitosan tự nhiên 1.1.3 Đặc điểm cấu tạo tính chất chitin – chitosan 1.1.4 Tình hình nghiên cứu sản xuất chitin chitosan nước giới 12 1.2 LÝ THUYẾT ĂN MÒN VÀ BẢO VỆ KIM LOẠI 16 1.2.1 Ăn mòn kim loại 16 1.2.2 Các phương pháp bảo vệ kim loại 18 1.3 MẠ ĐIỆN 24 1.3.1 Khái niệm mạ điện 24 1.3.2 Mạ kẽm phương pháp kiểm tra đánh giá lớp mạ 30 CHƯƠNG NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 36 2.1 NGUYÊN LIỆU, HÓA CHẤT, DỤNG CỤ 36 2.1.1 Nguyên liệu 36 2.1.2 Hóa chất 36 2.1.3 Máy móc, dụng cụ thí nghiệm 37 2.2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 38 2.2.1 Nghiên cứu tối ưu hóa q trình điều chế chitosan 38 2.2.2 Xác định số tiêu hóa lý chitosan 41 2.2.3 Phân tích định tính chitosan 43 2.2.4 Nghiên cứu ứng dụng chitosan làm phụ gia mạ kẽm điện hóa 46 2.2.5 Kiểm tra đánh giá khả chống ăn mòn lớp mạ 50 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 53 3.1 TÁCH CHITIN TỪ VỎ GHẸ 53 3.2 Q TRÌNH DEACETYL HĨA CHITIN 54 3.3 MỘT SỐ CHỈ TIÊU HÓA LÝ CỦA CHITOSAN 59 3.3.1 Độ ẩm 59 3.3.2 Hàm lượng tro 60 3.3.3 Hàm lượng chất không tan 60 3.4 PHÂN TÍCH ĐỊNH TÍNH CHITOSAN 61 3.4.1 Độ deacetyl hóa 61 3.4.2 Phổ hồng ngoại 61 3.4.3 Phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1H-NMR 62 3.5 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CỦA CHITOSAN LÀM PHỤ GIA MẠ KẼM 64 3.5.1 Khảo sát sử dụng chitosan làm phụ gia mạ kẽm điện hóa 64 3.5.2 Chất lượng lớp mạ đánh giá qua hình ảnh 68 3.5.3 Khả chống ăn mòn lớp mạ tổng hợp mơi trường có NaCl 69 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 74 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 76 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao) PHỤ LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu Tên bảng bảng 1.1 Trang Thành phần có vỏ số lồi động vật giáp xác 1.2 Một số dung dịch mạ kẽm sunfat thường dùng 32 2.1 Điều kiện thí nghiệm điều chế chitosan chọn 40 2.2 Số liệu thực nghiệm khảo sát điều chế chitosan 40 2.3 Số liệu thực nghiệm khảo sát chế độ mạ kẽm-chitosan 49 3.1 Kết xử lý từ 600 gam vỏ ghẹ 53 3.2 Ma trận kế hoạch 23cho trình điều chế chitosan 55 3.3 Ma trận kế hoạch trình điều chế chitosan với biến số 55 3.4 Độ ẩm chitosan 59 3.5 Hàm lượng tro chitosan 60 3.6 Hàm lượng chất không tan chitosan 60 3.7 Ma trận kế hoạch 23cho trình mạ kẽm 65 3.8 Ma trận kế hoạch cho trình mạ kẽm với biến số 65 3.9 Theo dõi độ ăn mòn lớp mạ dung dịch NaCl 3,5% 70 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Số hiệu Tên hình vẽ hình vẽ Trang 1.1 Nguồn cung cấp chitin – chitosan chủ yếu tự nhiên 1.2 Các dạng cấu trúc chitin 1.3 Sơ đồ số dẫn xuất tạo thành từ chitin chitosan 11 1.4 Ăn mịn hóa học (a) ăn mịn điện hóa kim loại (b) 17 1.5 Giản đồ - pH cho vùng ăn mòn bảo vệ kim loại 19 1.6 Bảo vệ catot dịng ngồi 19 1.7 Bảo vệ catot protector 20 1.8 Sơ đồ điện bảo vệ anot 21 1.9 Sự tạo màng CrO42- thép CT3 22 1.10 Sơ đồ mô hệ thống mạ điện 25 2.1 Ghẹ tươi (a) mai ghẹ (b) 36 2.2 Sơ đồ tóm tắt quy trình tách chitin từ vỏ ghẹ 38 2.3 Sơ đồ tóm tắt quy trình điều chế chitosan 39 2.4 Bố trí hệ thống mạ kẽm điện hóa phịng thí nghiệm 47 2.5 Sơ đồ khối mô nguyên lý đo tổng trở 51 3.1 Chitin thu từ vỏ ghẹ 53 3.2 Chitosan tinh chế 59 3.3 Phổ IR chitosan điều chế từ chitin vỏ ghẹ 62 3.4 Phổ 1H-NMR chitosan điều chế từ chitin vỏ ghẹ 63 3.5 Ảnh SEM bề mặt hai mẫu mạ độ phóng đại 200 lần 68 3.6 Ảnh SEM bề mặt hai mẫu độ phóng đại 5000 lần 68 3.7 Phổ EIS mẫu thép mạ Zn (a) composite Zn-chitosan nồng độ chitosan: 2g/l (b); 1g/l (c); 0,55g/l (d) 69 3.8 Biểu đồ độ giảm khối lượng ăn mòn hai lớp mạ 71 3.9 Ảnh SEM hai mẫu mạ sau ăn mịn độ phóng đại 2000 lần 71 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Chitin – chitosan chất quý có nhiều phế liệu thủy sản vỏ tôm, vỏ cua ghẹ, tăm mực… Ở nước ta lượng phế liệu thủy sản hàng năm lớn (70.000 năm 2005)[9], nên việc nghiên cứu điều chế chitosan từ chitin thuỷ sản ứng dụng chúng nhiều nhà khoa học đưa vào thực tiễn Chitosan góp phần tích cực nhiều lĩnh vực y tế (chỉ tiêu, thuốc); sinh học (kích thích mầm, kháng khuẩn); nơng nghiệp (bảo quản lương thực); môi trường (xử lý chất thải)… Tuy nhiên việc chế biến thủy hải sản nước ta chưa tận dụng hết nguồn phế liệu này, có nguồn vỏ ghẹ từ nhiều nhà hàng tỉnh ven biển, khơng vơ tình bỏ qua nguồn nguyên liệu quý có nhiều ứng dụng mà cịn gây nhiễm mơi trường Chitosan hịa tan mơi trường axit lỗng tạo gel cation: (Chit–NH2)n + nH3O+ → (Chit–NH3+)n + nH2O Năm 2006, nghiên cứu E.C Dreyer - Hoa Kỳ tạo thành công nghiên cứu lớp màng chitosan bề mặt catot phương pháp điện hóa để ứng dụng bảo quản thực phẩm Nhiều nghiên cứu nước cho thấy chitosan ức chế ăn mòn kim loại tốt, khả tạo phức kim loại cao Như biết, ăn mòn kim loại gây tổn thất to lớn nhiều mặt cho kinh tế quốc dân Nó gây suy giảm chất lượng nhiều sản phẩm từ kim loại mà gây tính thẩm mỹ, từ dẫn đến lãng phí từ việc sửa chữa thay Việc làm gây tốn nhiều lần giá trị kim loại bị huỷ hoại, ăn mòn kim loại gây ảnh hưởng xấu đến sức khoẻ cho người Do vấn đề bảo vệ kim loại trước ăn mòn vấn đề thiết, có bảo vệ vật liệu thép phương pháp mạ điện Để bảo vệ kim loại khỏi bị ăn mòn người ta sử dụng nhiều phương pháp khác có mạ điện… Dù kỹ thuật công nghệ mạ trình độ tiên tiến việc lựa chọn sử dụng kim loại mạ phụ gia gây vấn đề môi trường Lớp mạ kim loại-polymer chưa sử dụng nhiều, nước chưa cơng bố cơng trình nghiên cứu ứng dụng chitosan mạ điện Kẽm kim loại mạ tốt thép tính chịu đựng ăn mịn học, chịu biến dạng, tính mỹ thuật khả làm anot hy sinh, tạo lớp mạ kết hợp tính bảo vệ vật liệu thép nguyên tắc anot hy sinh lớp màng chitosan khả chống ăn mịn cao Chính từ lý mà định chọn đề tài “Nghiên cứu điều chế chitosan từ chitin vỏ ghẹ ứng dụng làm phụ gia mạ kẽm điện hóa” làm đề tài luận văn tốt nghiệp Mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu điều chế chitosan từ chitin tách từ vỏ ghẹ phế liệu chế biến thuỷ sản với hiệu mức độ deacetyl cao - Nghiên cứu ứng dụng chitosan để tạo lớp phủ mạ composite kẽmchitosan thép phương pháp điện hoá Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Chitosan chiết tách từ vỏ ghẹ phế liệu chế biến thuỷ sản - Chất lượng lớp mạ điện hoá composite kẽm-chitosan Nội dung phương pháp nghiên cứu  Nghiên cứu lý thuyết - Nghiên cứu nguồn gốc, trạng thái tồn chitin - Nghiên cứu tính chất hoá lý chitin, chitosan - Phương pháp chiết tách chitin, điều chế chitosan - Nghiên cứu quy trình đặc điểm cơng nghệ mạ kim loại điện hố, ý phương pháp mạ kẽm điện hoá - Nghiên cứu khả sử dụng chitosan mạ kẽm điện hoá  Nghiên cứu thực nghiệm - Tối ưu hoá điều chế chitosan từ chitin vỏ ghẹ với hiệu suất cao độ deacetyl phù hợp với mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu mạ kẽm điện hoá thép xây dựng với tham gia chitosan làm phụ gia, kiểm tra so sánh chất lượng lớp mạ chống ăn mòn với lớp mạ kẽm khơng có chitosan điều kiện Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài  Ý nghĩa khoa học - Nghiên cứu ứng dụng chitosan - Đề hướng kỹ thuật mạ điện chất lượng cao, thân thiện với môi trường khả ứng dụng thực tế  Ý nghĩa thực tiễn - Tạo chất liệu mạ thép đảm bảo yêu cầu kỹ thuật mỹ thuật - Giảm thiểu vấn đề nguồn chất thải mạ điện gây ô nhiễm môi trường, cách sử dụng loại chất mạ tốt thay nhiều loại chất mạ kim loại nặng độc hại Cấu trúc luận văn Luận văn gồm 78 trang, có 14 bảng 24 hình Phần mở đầu gồm trang, kết luận kiến nghị gồm trang, sử dụng 27 tài liệu tham khảo Nội dung luận văn chia làm chương: Chương - Tổng quan, 32 trang Chương - Nguyên liệu phương pháp nghiên cứu, 17 trang Chương - Kết thảo luận, 21 trang ... chitosan từ chitin vỏ ghẹ ứng dụng làm phụ gia mạ kẽm điện hóa? ?? làm đề tài luận văn tốt nghiệp Mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu điều chế chitosan từ chitin tách từ vỏ ghẹ phế liệu chế biến thuỷ...A CHITOSAN LÀM PHỤ GIA MẠ KẼM ĐIỆN HÓA 3.5.1 Khảo sát sử dụng chitosan làm phụ gia mạ kẽm điện hóa a Kết tạo lớp mạ thường Mạ lớp mạ thường thời gian 20 phút với cường độ 1,04 A (Dc = 4,5A/dm2) Lượng kẽ... tách chitin, điều chế chitosan - Nghiên cứu quy trình đặc điểm cơng nghệ mạ kim loại điện hố, ý phương pháp mạ kẽm điện hoá 3 - Nghiên cứu khả sử dụng chitosan mạ kẽm điện hoá  Nghiên cứu thực