2. Ứng dụng của chitin/chitosan và dẫn xuất
2.2.4. Giải hấp phụ, tái hấp phụ Quy trình hấp phụ giải hấp phụ
2.2.4.1. Giải hấp phụ
Cân 50 mg dẫn xuất chitosan – glutaralđehyt đã hấp phụ ion kim loại cho vào bình tam giác 50 ml đã chứa 25 ml dung dịch HCl 0,1N (pH = 1). Hỗn hợp được khuấy trong 8 giờ ở nhiệt độ phòng, sau đó ly tâm với tốc độ 15000 vòng/phút. Phần cặn đem sấy khô chân không ở 60oC, phần nước đem xác định nồng độ ion kim loại bằng AAS. Khả năng giải hấp phụ ion kim loại khỏi chất hấp phụ được tính theo phần trăm tỷ số của khối lượng ion kim loại trong nước lọc và khối lượng ion kim loại đã hấp phụ lên polyme.
2.2.4.2. Tái hấp phụ ion kim loại – chu trình hấp phụ - giải hấp phụ
- Lặp lại quá trình giải hấp phụ ion kim loại khỏi chất hấp phụ (pH=1) cho tới khi không xác định được sự có mặt của ion kim loại trong nước lọc.
- Sấy khô chân không polyme ở 60oC đến khối lượng không đổi. Sau đó, tiến hành tái hấp phụ ion kim loại lên chitosan và dẫn xuất như quá trình hấp phụ.
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Điều chế chitin/chitosan 3.1.1. Điều chế chitin 3.1.1. Điều chế chitin
β-chitin được tách từ mai mực theo quy trình thực nghiệm 2.2.1.1 có màu trắng, xốp, không tan trong nước. Hàm lượng β-chitin chiếm ≈ 37,5% (bảng 3.1). Kết quả này phù hợp với số liệu được công bố: hàm lượng chitin trong mai mực ống từ 30 - 40% [1], [2], [4]
Bảng 3.1: Hàm lượng β-chitin trong mai mực ống Mẫu m1 (khối lượng
mai mực ống) m2 (khối lượng chitin) δ = (m2/m1)x100% M1 1 kg 378 ≈ 37,5% M2 1 kg 372 M3 1 kg 375
Phổ hồng ngoại của chitin được thể hiện ở hình 3.1
Hình 3.1: Phổ hồng ngoại của β-chitin
Từ hình 3.1 có thể quy kết các pic phổ đặc trưng như sau: Vùng 3100 3600cm-1 đặc trưng cho dao động hoá trị của nhóm hydroxyl (-OH), 2871cm-1
đặc trưng cho dao động hoá trị của liên kết CH (C–H ); 1655 cm-1 đặc trưng cho dao động hoá trị của nhóm cacbonyl C=O (của amit I); 1560 cm-1 đặc trưng cho dao động biến dạng của liên kết N-H (N-H) (amit II); 1393 cm-1 là đặc trưng cho dao động biến dạng của CH3 (symetrical angular defomation), 1071cm-1 đặc trưng cho dao động hóa trị của C-O-C trong liên kết (14) glucozit. DA của chitin tính được theo công thức 2.3 là 78%.
3.1.2. Điều chế chitosan từ chitin theo phương pháp kiềm đặc kết hợp nhiệt độ cao. nhiệt độ cao.
Phản ứng đeaxetyl hóa chitin trong môi trường kiềm thực chất là phản ứng thủy phân nhóm axetamit. Phản ứng được thực hiện ở nhiệt độ 120oC, nồng độ NaOH 50%, thời gian 24 giờ.
O NH2 OH HO O O NHAc OH HO O O NHAc OH HO O y OH- n x
Sơ đồ 1.20: Phản ứng đeaxetyl hóa chitin
Hiệu suất phản ứng đeaxetyl hóa tính theo công thức {2.2} phần thực nghiệm: G1% = 26g/37,5g ≈ 70%. Như vậy, hiệu suất phản ứng đeaxetyl hóa là khá cao.
Chitosan thu được từ phản ứng đeaxetyl hóa chitin có dạng màu trắng, xốp, tan tốt trong môi trường axit loãng như axit axetic 1%.
3.1.2.1. Phổ hồng ngoại
Có thể nhận thấy rằng, phổ đồ của chitosan thu được không thay đổi nhiều so với β-chitin (hình 3.2). Các tín hiệu đặc trưng cho dao động hóa trị của liên kết O-H và liên kết C-H hầu như không đổi. Sự giảm cường độ pic 1654,4 cm-1 đặc trưng cho dao động hóa trị của liên kết C=O của nhóm amit và sự xuất hiện pic tại 1651 cm-1 đặc trưng cho dao động biến dạng của liên kết N-H (của nhóm NH
Hình 3.2: Phổ hồng ngoại của -chitosan
Dựa trên phổ IR, từ công thức {2.3} phần thực nghiệm tính được: DA% = 3450 1655 A A x 115= 0,065 0, 284x115≈ 23%. 3.1.2.2. Phổ cộng hưởng từ hạt nhân
Từ phổ 1-NMR của chitosan thu được ở trên (hình 3.3), với công thức của chitosan (DA≠0%):
m O O HO NH2 OH O O HO NHCOCH3 OH n 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 Chitosan Chitin
Các pic đặc trưng có thể được quy kết như trong bảng 3.2:
Bảng 3.2: Độ chuyển dịch hoá học của proton (1H) của chitosan
Tín hiệu ppm Tín hiệu Ppm
H1(chitosan) 5,32 H5 4.20
H1(chitin) 5.05 H6a 4.33
H2 (chitin & chitosan) 3,65 H6b 4.47
H3 4,35 COCH3 (chitin) 2,50
Hình 3.3: Phổ 1-NMR của β-chitosan
Độ axetyl hoá của chitosan tính theo công thức: DA=ICH3/3(IH1 chitosan+IH1 chitin)100% (I là giá trị tích phân của các pic tín hiệu) là 28% (hay DDA=72%).
3.1.2.3. Phổ X-Ray
Phổ X-ray của chitosan điều chế từ mai mực ống (hình 3.4) cho thấy đỉnh nhiễu xạ ở vị trí góc 2 8,8 và 20 Ao. Kết quả này phù hợp với các công bố về đặc tính kết tinh của -chitosan.
3.1.2.4. Khối lượng phân tử
Kết quả đo áp suất thẩm thấu của dung dịch tại các nồng độ khác nhau được trình bày ở bảng 3.3.
Bảng 3.3: Kết quả đo áp suất thẩm thấu của chitosan
tại các nồng độ khác nhau Tên mẫu C (g/100 ml) dn (kết quả trung bình 3 lần đo) (cm) /C Mẫu 1 0,025 30 0,314 12,58 Mẫu 2 0,05 98 1,027 20,547 Mẫu 3 0,1 341,6 3,582 35,817 Mẫu 4 0,2 1225 12,842 64,209 Mẫu 5 0,4 47,05 49,327 123,317
Vẽ đồ thị biểu diễn mối quan hệ của C và /C (hình 3.10) để tìm giá trị ngoại suy của /C khi C0. Thay các giá trị vào công thức 2.5, khối lượng phân tử trung bình của chitosan điều chế được là: 45594 g/mol tương đương với 453 KDa, khối lượng phân tử của chitin/chitosan nằm trong khoảng 50÷2000 KDa.
3.1.3. Điều chế chitosan có DA thấp
3.1.3.1. Phổ hồng ngoại
Hình 3.6: Phổ FT - IR của -chitosan theo phương pháp phá kết tinh
Từ phổ hồng ngoại (hình 3.6) của chitosan thu được từ phản ứng deaxetyl hóa một lần chitosan thu được ở mục 3.1.2 trong dung dịch NaOH 5% theo phương pháp phá kết tinh (hình 3.6) cho thấy cường độ pic hấp thụ đặc trưng cho dao động hoá trị liên kết C=O của nhóm axetamit giảm mạnh, đồng thời xuất hiện píc hấp thụ tại 1603 cm-1 đặc trưng cho dao động biến dạng của liên kết N-H.
Theo công thức 2.3 phần thực nghiệm, -chitosan nhận được có DA 0 % (hay DDA100%), phản ứng deaxetyl hoá gần như diễn ra hoàn toàn.
3.1.3.2. Phổ cộng hưởng từ hạt nhân
Kết quả ghi phổ cộng hưởng từ hạt nhân: phổ 1H-NMR; phổ 13C-NMR của mẫu chitosan thu được từ phản ứng deaxetyl hoá theo phương pháp phá kết tinh, trong dung môi D2O - 1% CF3COOD ở 800C được thể hiện trên các hình 3.7, 3.8, các pic tín hiệu có thể được quy kết như trong bảng 3.4 và 3.5.
Hình 3.7: Phổ 1H-NMR của –chitosan deaxetyl hoá hoàn toàn
Bảng 3.4: Độ chuyển dịch hóa học của proton (1H) của chitosan
Tín hiệu ppm Tín hiệu ppm H1 5,33 H5 4,24 H2 3,63 H6a 4,30 H3 4,37 H6b 4,46 H4 4,39 CH3 (của OCOCH3 tự do và trong mắt xích CTS) 2,55 và 2,57
Bảng 3.5: Độ dịch chuyển hóa học cacbon (13C) của Chitosan
Tín hiệu ppm Tín hiệu ppm
C1 99,7 C5 75,9
C2 57,2 C6 61,5
C3 72,1 CH3 Không xuất hiện
C4 78,6 C=O Không xuất hiện
Từ các giá trị tích phân trên phổ 1H-NMR, độ axetyl hóa của chitosan tính theo công thức: DA=ICH3/3(IH1 chitosan+IH1 chitin)x100% (trong đó I là giá trị tích phân của pic tín hiệu) là 0% (hay DDA100%). Như vậy, sử dụng phương pháp phá kết tinh có thể điều chế chitosan có DA0%.
3.1.3.3. Giản đồ nhiễu xạ tia X
Kết quả chụp giản đồ nhiễu xạ tia X (hình 3.9) cho thấy chitosan điều chế được theo phương pháp phá kết tinh có độ kết tinh rất thấp.
Hình 3.9: Giản đồ nhiễu xạ tia X của chitosan điều chế theo
3.1.3.4. Khối lượng phân tử
Kết quả đo áp suất thẩm thấu () của chitosan điều chế theo phương pháp phá kết tinh được trình bày ở bảng 3.6. Khối lượng phân tử chitosan tính được: Mn = 41326 g/mol tương đương với 410 kDa. Như vậy, phản ứng cắt mạch giảm khối lượng phân tử diễn ra song song với phản ứng deaxetyl hóa chitosan.
Bảng 3.6: Kết quả đo áp suất thẩm thấu của chitosan DA0 Tên mẫu C(g/100ml) dn (trung bình 3 lần đo) (cm) /C M1 0,025 25,76 0,27 10,8 M2 0,05 89,22 0,935 18,70 M3 0,1 318,6 3,050 30,5 M4 0,2 291,1 11,46 57,3 M5 0,4 3912 41,00 102,5 y = 242.19x + 6.3208 0 20 40 60 80 100 120 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 C /C
Nhận xét 1:
+ Đã tách được chitin từ mai mực ống, hàm lượng chitin khoảng 37,5% + Đã điều chế được chitosan từ chitin thông qua phản ứng deaxetyl hóa. Độ deaxetyl hoá đạt được khi deaxetyl hóa một lần trong dung dịch NaOH 50%, nhiệt độ 120oC là 28%, khối lượng phân tử 453 KDa. Sử dụng phương pháp phá kết tinh thu được chitosan có độ axetyl hóa 0%, khối lượng phân tử 410 kDa.
3.2. Phản ứng biến tính chitosan và glutaralđehyt
Phản ứng điều chế chitosan liên kết ngang với glutaralđehyt xảy ra như sau: dung dÞch NaOH OHC-(CH2)3-CHO CH3COOH O NH2 OH HO O O NH3+ CH3COO- OH HO O n n O N OH HO O CH (CH2)3 CH O NH3+ CH3COO- OH HO O y O N OH HO O CH (CH2)3 CH O NH2 OH HO O y x x 3.2.1. Khảo sát phản ứng bằng phổ hồng ngoại (FT-TR)
Từ phổ hồng ngoại của chitosan - glutaralđehyt (hình 3.11) các pic được quy kết như sau: pic tại vị trí 1654 cm-1 được gán cho dao động hóa trị của nhóm imin (nhóm bazơ Schiff); pic hấp thụ tại 1561 cm-1; 1423 cm-1 đặc trưng cho dao động hóa trị của liên kết etylenic (C=C). Pic hấp thụ tại vị trí 2943 cm-1 đặc trưng cho dao động của C-H có cường độ lớn hơn rất nhiều do có sự hình thành liên kết chitosan – glutaralđehyt so với chitosan; pic hấp thụ trong vùng 1725-1700 cm-1 không xuất hiện trên phổ đồ
Hình 3.11: Phổ hồng ngoại của chitosan - glutaralđehyt 3.2.2. Khảo sát bằng TGA
So sánh mẫu 1 (CTS) và mẫu 2 (dẫn xuất chitosan – glutaralđehyt): trong khoảng 0 - 200oC, khối CTS giảm chậm, đồ thị thoải đều còn với dẫn xuất khối lượng giảm nhanh hơn (10,522%) và giảm mạnh tại 70oC. Trong khoảng 200 - 350 oC, khối lượng 2 mẫu đều giảm rất nhanh (CTS: 35%, dẫn xuất: 17%). Trong khoảng 350oC, khối lượng CTS giảm chậm. chỉ có 13%, đồ thị rất thoải còn dẫn xuất khối lượng giảm nhanh là 58%, đồ thị rất dốc. Sự suy giảm khối lượng khác nhau giữa CTS và dẫn xuất có thể khẳng định đã xảy ra phản ứng giữa chitosan và glutaralđehyt
Hình 3.12: Giản đồ phân tích nhiệt của chitosan (mẫu 1) và dẫn xuất (mẫu 2)
3.2.3. Khảo sát bằng giản đồ nhiễu xạ tia X
Hình 3.13: Giản đồ nhiễu xạ tia X của chitosan và dẫn xuất chitosan -
glutaralđehyt.
Chitin/chitosan có cấu trúc tinh thể chặt chẽ (có nhiều liên kết hydro ở trong mạch và giữa các mạch). -Chitin ở dạng khan có cấu trúc tinh thể theo kiểu đơn tà (monoclinic). Sự suy giảm độ kết tinh của sản phẩm phản ứng là
Mẫu 1 Mẫu 2
MÉu 1
do sự phá vỡ một số liên kết hydro nhất định trong mạch khi nhóm -OH và nhóm -NH2 tham gia phản ứng. Trong trường hợp phản ứng giữa chitosan và glutaralđehyt do phản ứng xảy chọn lọc tại –NH2 ở C2 nên sự suy giảm độ kết tinh là do sự mất đi một số nhóm amin nhất định. Giản đồ nhiễu xạ tia X của sản phẩm phản ứng được đưa ra ở hình 3.13.
Từ giản đồ (hình 3.13) cho ta thấy độ kết tinh của sản phẩm chitosan - glutaralđehyt thấp hơn nhiều so với chitosan ban đầu hay chitosan - glutaraldehyt vô định hình hơn so với chitosan. Đỉnh 2 10o ở sản phẩm phản ứng gần như mất đi, 2 19.8o thoải và trải rộng hơn. Điều này có thể kết luận rằng, một số nhóm -NH2 nhất định của chitosan đã tham gia phản ứng với glutaralđehyt.
3.2.4. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp dẫn xuất
3.2.4.1. Ảnh hưởng của nồng độ glutaralđehyt
Kết quả khảo sát ảnh hưởng nồng độ glutaralđehyt từ 0,1÷15×10-2
mol/lit đến hiệu suất phản ứng tại nhiệt độ 30O C, thời gian 24 giờ (hình 3.14) cho thấy rằng hiệu suất tổng hợp dẫn xuất cao nhất 80,5 tại nồng độ glutaralđehyt 5×10-2 mol/lit.
Bảng 3.7: Ảnh hưởng của nồng độ glutaralđehyt đế hiệu suất phản ứng Mẫu Nồng độ glutaralđehyt
(×10-2mol/lit) Hiệu suất phản ứng
CG00,0 0 0 CG00,1 0,1 20 CG00,5 0,5 40 CG1,0 1 65 CG05,0 5 80,5 CG010 10 80,4 CG015 15 80,5
3.2.4.2. Ảnh hưởng của khối lượng phân tử chitosan đến hiệu suất phản ứng
Ba loại chitosan có khối lượng phân tử trung bình ở mức: thấp (CTS-1), trung bình (CTS-2) và cao (CTS-3) được lựa chọn để khảo sát ảnh hưởng của khối lượng phân tử đến hiệu suất tổng hợp các dẫn xuất chitosan - glutaralđehyt. Giá trị thực nghiệm thể hiện ở bảng 3.9 cho thấy chitosan có khối lượng phân tử càng lớn thì hiệu suất phản ứng tổng hợp các dẫn xuất chitosan càng giảm. Điều này được giải thích là do khi khối lượng phân tử chitosan giảm sẽ làm tăng tính linh động của mạch đại phân tử, tăng khả năng tiếp xúc của glutaralđehyt với polyme sẽ làm tăng hiệu suất phản ứng.
Bảng 3.8: Ảnh hưởng của khối lượng phân tử chitosan đến hiệu suất tổng hợp
các dẫn xuất chitosan - glutaralđehyt.
Mẫu Mn ( KDa) Hiệu suất tổng hợp CG
Cts-1 105 80,5
Cts-2 200 77
Cts-3 410 74
Ghi chú: Thời gian phản ứng 24 giờ, nhiệt độ 30oC, nồng độ glutaralđehyt 5×10-2mol/lit
3.2.5.3. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến hiệu suất phản ứng
Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến hiệu suất tổng hợp các dẫn xuất chitosan - glutaralđehyt tại nhiệt độ 30oC với nồng độ glutaralđehyt 5×10-2mol/lit được thể hiện ở hình 3.15.
Kết quả cho thấy hiệu suất phản ứng của chitosan với glutaralđehyt tăng nhanh trong 6 giờ đầu phản ứng và tăng thêm không đáng kể đối với phản ứng tổng hợp dẫn xuất là sau 14 giờ.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
Thời gian (giờ)
H iệ u s u ấ t (%
Hình 3.14: Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến hiệu suất phản ứng tổng
hợp dẫn xuất chitosan - glutaralđehyt.
3.2.4.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất phản ứng
Từ hình 3.16 cho thấy hiệu suất phản ứng tăng khi tăng nhiệt độ từ 25 - 55oC. Điều này là do khi tăng nhiệt độ làm tăng tính linh động của mạch polyme, làm tăng khả năng va chạm giữa các cấu tử tham gia phản ứng. Tuy nhiên, giới hạn nhiệt độ khảo sát chỉ đến 55oC vì trên nhiệt độ này có thể xảy ra phản ứng thủy phân chitosan trong môi trường axit axetic.
40 50 60 70 80 90 100 20 25 30 35 40 45 50 55 60 nhiệt độ h iệ u su ấ t (% )
Hình 3.15: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất phản ứng Nhận xét 2:
Từ các kết quả nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới phản ứng tổng hợp dẫn xuất chitosan - glutaralđehyt đã tìm ra: Điều kiện tối ưu cho phản ứng
tổng hợp dẫn xuất chitosan - glutaralđehyt là: thời gian phản ứng là: 14 giờ, nồng độ glutaralđehyt 5×10-2 mol/lít khối lượng phân tử chitosan là: 105 KDa, nhiệt độ 55oC với hiệu suất phản ứng nhận được là 80,5%.
3.3. Khảo sát khả năng hấp phụ và giải hấp phụ ion kim loại của chitosan và dẫn xuất. và dẫn xuất.
Chitosan là polyme có khả năng hấp phụ rất tốt và có tính chọn lọc hấp phụ cao các ion kim loại nặng. Tuy nhiên chitosan lại dễ bị hòa tan trong môi trường pH < 6, do đó không thuận lợi cho việc hấp phụ trong môi trường pH thấp. Để hạn chế sự hòa tan chitosan một tiến hành khâu mạch chitosan bằng một số tác nhân như glutaralđehyt hay glyoxal. Dẫn xuất chitosan -