Chitosan là một polyme thu đƣợc sau quá trình deaxetyl hóa không hoàn toàn chitin, do vậy các thông số cần xác định là khối lƣợng phân tử trung bình (M) và độ deaxetyl (DD). Các phƣơng pháp thực hiện cần đơn giản, phù hợp với trang thiết bị hiện có, mặt khác lại phải cho các kết quả đáng tin cậy. Do vậy phƣơng pháp chuẩn độ dẫn điện đã đƣợc dùng để xác định độ deaxetyl và phƣơng pháp đo độ nhớt đƣợc dùng để xác định khối lƣợng phân tử trung bình.
a) Xác định độ deaxetyl (DD) của chitosan
Trong luận văn này, độ deaxetyl của chitosan đƣợc xác định bằng phƣơng pháp chuẩn độ dẫn điện. Mẫu đem xác định độ deaxetyl đƣợc hòa tan trong HCl 0,05N, khuấy không gia nhiệt trong 18 tiếng. Quá trình chuẩn độ đƣợc tiến hành ngay sau khi quá trình khuấy kết thúc, chuẩn độ bằng dung dịch NaOH 0,1N. Độ dẫn điện của dung dịch đƣợc đo bằng máy Jenvay 4310. Độ deaxetyl của mẫu chitosan đƣợc xác định theo công thức:
DD= 20319,25 CBΔV/42,0367.CBΔV+mcs (2.1) Trong đó: CB – là nồng độ của dung dịch NaOH (mol/l);
∆V – là hiệu số thể tích giữa hai bƣớc nhảy (l), đƣợc xác định trên đồ thị;
mcs – là khối lƣợng chitosan trong dung dịch đem chuẩn độ (g); Kết quả đo đƣợc dùng để vẽ đồ thị vNaOH – σ, từ đồ thị này xác định đƣợc ∆V. Thay vào công thức (2.1) ta xác định đƣợc độ deaxetyl.
b) Xác định khối lượng trung bình (KLPTTB) của chitosan
Phƣơng pháp phổ biến nhất xác định khối lƣợng trung bình của các loại polymer có tan là phƣơng pháp đo độ nhớt của dung dịch. Phƣơng pháp này dựa vào phƣơng trình Kunl- Mark- Howink biểu diễn mối quan hệ giữa độ nhớt đặc trƣng của dung dịch polymer với khối lƣợng phân tử trung bình của nó:
η = k.Mα (2.2) Trong đó: η–là độ nhớt đặc trƣng của dung dịch polymer; k, α– là các hệ số phụ thuộc bản chất của polymer, hệ dung môi đƣợc sử dụng và điều kiện tiến hành
thí nghiệm. Với chitosan, độ nhớt đƣợc tính toán theo phƣơng trình thực nghiệm Robbert:
ηo = k.Mα (2.3) Với k, α là các hệ số phụ thuộc vào độ deaxetyl. Đƣợc tính bằng các công thức thực nghiệm.
k = 1,64.10-30.DD14, α = 1,82 – 1,02.10-2.DD (2.4) Và ηo = (2.5) Từ (II.3) ta có lnηo = lnk + αlnM (2.6) M = Exp (2.7) Sau khi xác định đƣợc độ deaxetyl của chitosan, ta dễ dàng tính đƣợc các hệ số k và α (theo 2.3). Độ nhớt đặc trƣng đƣợc xác định thông qua đồ thị C- (ηt /η0-1)/C. Đồ thị này đƣợc xây dựng bằng cách đo độ nhớt của các dung dịch CS, với dung môi là hỗn hợp axit axetic 0,2M + natri axetat 0,3M. Nồng độ chitosan là 1.10-4 ÷ 1.10-3 (g/ml) (10 dung dịch).
Độ nhớt của dung dịch đƣợc đo bằng máy đo độ nhớt SV - 10, tại Viện Khoa học Vật liệu - Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam (Hình 2.2).
Đây là loại máy đo độ nhớt hiện đại sử dụng phƣơng pháp rung âm thoa để xác định độ nhớt dung dịch. Phƣơng pháp này có độ chính xác cao (1%), khoảng đo rộng (0,3-10000 cP), khả năng đo đa dạng, ngay cả khi thay đổi chất lỏng hay thay đổi nhiệt độ vẫn không cần thay thế cảm biến, đo đƣợc cả những chất lỏng có độ nhớt thấp, chất có tạo bọt… do tấm cảm biến mỏng và kích thƣớc nhỏ nên máy có thời gian đáp ứng nhanh, giảm đƣợc nhiều nhất ảnh hƣởng tới mẫu.
Độ nhớt của dung dịch đƣợc xác định bằng cách đo dòng điện cần thiết để duy trì hai tấm cảm biến ở tần số xác định là 30Hz và biên độ nhỏ hơn 1mm, dung dịch có độ nhớt lớn cản trở mạnh hơn với sự rung của các cảm biến, và ngƣợc lại dung dịch có độ nhớt nhỏ cản trở ít hơn. Dòng điện cần thiết để giữ các cảm biến ở tần số và biên độ nhƣ trên đƣợc quy đổi thành độ nhớt của dung dịch.
Hình 2.2: Máy đo độ nhớt SV- 10
2.3. Phƣơng pháp nghiên cứu khả năng hấp phụ củ vật liệu
Để kiểm tra khả năng hấp phụ của vật liệu tại một điều kiện tổng hợp nhất định ta xác định nồng độ kim loại trong dung dịch trƣớc và sau khi hấp phụ. Đối với mỗi kim loại có các phƣơng pháp cụ thể dùng để xác định riêng. Phƣơng pháp thông dụng đƣợc sử dụng để xác định nồng độ Cr(VI) là phƣơng pháp trắc quang trên quang phổ tử ngoại (UV-Vis). Xác định As(V) bằng phƣơng pháp phổ hấp thụ nguyên tử (AAS). Ngoài ra còn sử dụng một số phƣơng pháp khác để xác định thành phần cấu trúc của mẫu.
2.3.1.Phƣơng pháp phân tích đo qu ng (UV-Vis)
Nguyên tắc của phƣơng pháp phân tích đo quang: Dung dịch chứa kim loại đƣợc tạo phức màu với thuốc thử thích hợp trong điều kiện nhất định. Đo mật độ quang của dung dịch màu tại một bƣớc sóng xác định để xác định nồng độ kim loại dựa trên đƣờng chuẩn.
Phƣơng pháp phân tích đo quang là phƣơng pháp phân tích công cụ dựa trên việc đo những tín hiệu bức xạ điện từ và tƣơng tác của bức xạ điện từ với chất nghiên cứu. Phƣơng pháp có ƣu điểm là tiến hành nhanh, thuận lợi. Có độ nhạy cao, độ chính xác đƣợc tới 10-6
mol/l. Tuỳ thuộc vào hàm lƣợng chất cần xác định mà có độ chính xác từ 0,2 tới 20%.
Định luật Lamber-Beer
Khi chiếu một chùm bức xạ đơn sắc (cƣờng độ bức xạ ban đầu là I
0) đi qua một lớp dung dịch có bề dày l và có nồng độ là C, thì sau khi đi qua dung dịch cƣờng độ bức xạ bị giảm đi (cƣờng độ của bức xạ đi ra khỏi dung dịch là I) do quá trình hấp thụ, phản xạ, tán xạ... Độ hấp thụ quang của dung dịch tỷ lệ thuận với C và l.
0 lgI . . A l C I (2.8) Trong đó: Aλ - độ hấp thụ quang.
ε - hệ số hấp thụ mol (l/mol.cm). ε đặc trƣng cho khả năng hấp thụ ánh sáng của dung dịch.
l - bề dày cuvet (cm).
C - Nồng độ dung dịch (mol/l).
Phương pháp đường chuẩn
Chuẩn bị một dãy các dung dịch chuẩn (thƣờng từ 5-7 dung dịch) có nồng độ tăng dần và biết trƣớc nồng độ C: C1, C2, C3… (trong khoảng tuân theo định luật Lamber-Beer). Thực hiện phản ứng màu với thuốc thử. Đo độ hấp thụ quang A của các dung dịch ở λmax, biểu diễn sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang A theo nồng độ dung dịch C và xây dựng đồ thị theo hệ tọa độ A-C gọi là đồ thị đƣờng chuẩn. Từ đồ thị đƣờng chuẩn tìm đƣợc phƣơng trình sau:
y = a.x + b (2.9) (y là độ hấp thụ quang A; x là nồng độ dung dịch)
Sự tƣơng quan giữa độ hấp thụ quang A và nồng độ C khi l = const là nội dung của định luật Beer. Hệ số tƣơng quan R biến đổi trong khoảng -1 ≤ R ≤ 1. Khoảng nồng độ thỏa mãn định luật này khi R > 0,999. Sau khi thiết lập phƣơng trình đƣờng chuẩn, đối với dung dịch mẫu ta tiến hành phản ứng màu với thuốc thử và đo đƣợc độ hấp thụ quang A của mẫu ở cùng điều kiện của mẫu chuẩn (Amẫu = y) ta có thể tính đƣợc nồng độ của mẫu cần xác định theo phƣơng trình sau:
y-b x=
Hình 2.3: Máy đo phổ hấp thụ UV-Vis
Các mẫu đo nồng độ của dung dịch crôm trong luận văn đƣợc thực hiện trên máy đo phổ hấp phụ UV-PC 1650, Shimazu của Nhật tại phòng thí nghiệm phân tích Viện địa chất và địa vật lý biển - Viện KH và CN Việt Nam.
Nhƣ vậy đo mật độ quang A để xác định nồng độ C của chất phân tích trong dung dịch theo phƣơng pháp đồ thị chuẩn.
Phạm vi áp dụng: Phƣơng pháp này có khả năng xác định nồng độ kim loại trong khoảng g/l – mg/l[14].
Xác định Cr(VI) bằng phương pháp trắc quang điphenylcacbazit[14]
Cho ion Cr(VI) trong dung dịch hấp phụ tạo phức với thuốc thử điphenylcacbazit trong môi trƣờng axit tạo ra phức tan có màu đỏ tím. Đo mật độ quang tại bƣớc sóng 540 nm. So sánh với đƣờng chuẩn để xác định nồng độ Cr(VI) có trong dung dịch. Phƣơng pháp này có thể xác định hàm lƣợng Cr(VI) trong khoảng từ 5g – 1,0 mg/l.
1. Xây dựng đƣờng chuẩn xác định Cr(VI) 2. Xác định hàm lƣợng Cr(VI) trong dung dịch:
Cho tiếp 0,2 ml HNO3 (1:1), thêm vào đó 0,2 ml điphenylcacbazit 0,5% trong axeton. Định mức bằng nƣớc cất đến 10 ml. Để ổn định khoảng 5-10 phút sau đó đem đo mật độ quang. So sánh với đƣờng chuẩn để xác định nồng độ Cr(VI).
2.3.2. Phƣơng pháp phổ hấp thụ nguyên tử AAS[3]
Hình 2.4. Máy quang phổ hấp thụ nguyên tử (Atomic Absorption
Spectrophotometer) AA-6800, Shimadzu-Nhật Bản.
Phƣơng pháp AAS đƣợc viết tắt từ phƣơng pháp phổ hấp thụ nguyên tử (Atomic Absorption Spectrophotometry). Các nguyên tử ở trạng thái bình thƣờng thì chúng không hấp thu hay bức xạ năng lƣợng nhƣng khi chúng ở trạng thái tự do dƣới dạng những đám hơi nguyên tử thì chúng hấp thu và bức xạ năng lƣợng. Mỗi nguyên tử ch hấp thu những bức xạ nhất định tƣng ứng với những bức xạ mà chúng có thể phát ra trong quá trình phát xạ của chúng. Khi nguyên tử nhận năng lƣợng chúng chuyển lên mức năng lƣợng cao hơn gọi là trạng thái kích thích. Quá trình đó gọi là quá trình hấp thu năng lƣợng của nguyên tử tự do ở trạng thái hơi và tạo ra phổ của nguyên tử đó. Phổ sinh ra trong quá trình này gọi là phổ hấp thu nguyên tử.
Phạm vi áp dụng: Phƣơng pháp này có khả năng xác định nồng độ kim loại trong khoảng g/l – mg/l [6]. Trong báo cáo này, nồng độ As(V) đƣợc đo trên máy quang phổ hấp thụ nguyên tử (Atomic Absorption Spectrophotometer) AA-6800, Shimadzu- Nhật Bản, tại Viện Công nghệ Môi trƣờng, trƣờng đại học Bách Khoa Hà Nội.
2.3.3. Phƣơng pháp phổ hồng ngo i (IR)
Phổ hồng ngoại đƣợc dùng để xác định cấu trúc phân tử của chất nghiên cứu dựa vào các tần số đực trƣng trên phổ đồ của các nhóm chức năng trong phân tử. Trong phân tử luôn tồn tại các dao động đƣợc gọi là dao động phân tử, các dao động này phụ thuộc vào bản chất các liên kết trong phân tử, các dao động này có thể là dao động hóa trị hoặc dao động biến dạng. Khi các sóng điện từ của vùng hồng ngoại tác dụng lên hệ gồm những nguyên tử liên kết với nhau thì biên độ các dao động của liên kết sẽ tăng lên. Khi đó phân tử sẽ hấp thụ những tần số của bức xạ hồng ngoại có năng lƣợng tƣơng ứng với hiệu giữa các mức năng lƣợng dao động. Nhƣ vậy, khi mẫu nghiên cứu đƣợc chiếu tia hồng ngoại có tần số liên tục thay đổi thì ch những tia có năng lƣợng (bƣớc sóng) xác định mới bị hấp thụ. Khi tiến hành phân tích bằng phổ IR, ta sẽ thu đƣợc phổ hấp thụ, dựa vào số sóng đặc trƣng của các nhóm chức, các liên kết có sẵn trong phổ đồ, so sánh với phổ đồ ghi đƣợc ta sẽ suy ra cấu trúc của chất nghiên cứu.
Phƣơng pháp phân tích IR có thể ghi phổ của các mẫu rắn, lỏng hoặc khí, bƣớc sóng đƣợc dùng trong phân tích IR là 2,5.10-4
m – 2,5.10-3 m (tƣơng ứng với số sóng 4000 cm-1 đến 400 cm-1). Vì vậy mẫu chất phải không có nƣớc(hoặc rất ít), vì nƣớc hấp thụ mạnh các tia có độ dài sóng 2,7.10-4
m (~3710 cm-1 ) và khoảng 6,25.10-4 m (~1630 cm-1 ). Các dải này chồng lên phổ của hợp chất nghiên cứu, gây khó khăn cho việc giải thích phổ.
Để ghi phổ của hợp chất rắn ngƣời ta thêm muối halogenua của một kim loại kiềm (thƣờng dùng là kali bromua): lấy khoảng 1 mg chất và 100 ÷ 200 mg KBr, trộn, nghiền kỹ, sấy khô và ép dƣới áp suất cao. Khi đó sẽ thu đƣợc một viên nhỏ trong suốt, đƣờng kính khoảng 10 mm, dày 1 ÷ 2 mm, thực tế là dung dịch rắn của chất với kali bromua. Vì kali bromua không hấp thụ bức xạ trong vùng 1,5.10-4 m đến 2,5.10-4
m cho nên bằng phƣơng pháp này có thể chụp phổ toàn phần của mẫu chất. Trong báo cáo này, phổ IR đƣợc đo trên máy Nicolet 6700 của hãng Thermal (Mỹ), đƣợc đặt tại phòng thí nghiệm hóa hữu cơ - hóa dầu của trƣờng đại học Bách Khoa Hà Nội.
2.3.4. Phƣơng pháp hiển vi điện tử truyền qua (SEM)
Nguyên tắc chung của phƣơng pháp hiển vi điện tử đƣợc thể hiện nhƣ sau:
Hình 2.5: Nguyên lí hoạt động của phƣơng pháp hiển vi điện tử.
Trong phƣơng pháp này ngƣời ta sử dụng chùm tia điện tử để tạo ảnh nghiên cứu. Ảnh đó khi đến màn huỳnh quang có thể đạt độ phóng đại theo yêu cầu. Chùm tia điện tử đƣợc tạo từ catot qua hai tụ quang điện tử sẽ đƣợc hội tụ lên mẫu nghiên cứu, khi chùm tia này đập vào mẫu sẽ phát ra chùm tia điện tử phản xạ và chùm tia điện tử truyền qua, các điện tử truyền qua cho hình ảnh hiển vi điện tử truyền qua, các điện tủ này đƣợc đi qua điện thế gia tốc vào phần thu và biến đổi thành một tín hiệu ánh sáng, tín hiệu này đƣợc khuyếch đại và đƣa vào bộ điều khiển để tạo ra hình ảnh. Độ sáng tối của hình ảnh phụ thuộc vào lƣợng điện tử phát ra tới bộ thu tín hiệu, và hình dạng bề mặt mẫu nghiên cứu. Phƣơng pháp này có thể cho ta biết kích thƣớc, hình dạng và đặc trƣng bề mặt của mẫu nghiên cứu.
Trong luận văn này, việc khảo sát bề mặt và hình thái học của vật liệu nano đƣợc thực hiện trên kính hiển vi điện tử quét phát xạ trƣờng Hitachi S-4800 đặt tại phòng thí nghiệm trọng điểm Quốc gia về Vật liệu và Linh kiện điện tử, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Kính có độ phóng đại 20 ÷ 800.000 lần, độ phân giải ảnh SE là 2,0 nm ở thế 1 kV và 1,0 nm ở thế 15 kV.
2.3.5. Phƣơng pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
Hình 2.6 đƣa ra sơ đồ nguyên lý hoạt động của kính hiển vi điện tử truyền qua.
Hình 2.6: Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM).
Hiển vi điện tử truyền qua (Transsmision Electronic Microscopy) là phƣơng pháp hiển vi điện tử đầu tiên đƣợc phát triển với thiết kế mô phỏng phƣơng pháp hiển vi quang học truyền qua. Phƣơng pháp này sử dụng một chùm điện tử thay thế chùm sáng chiếu xuyên qua mẫu và thu đƣợc những thông tin về cấu trúc và thành phần của nó giống nhƣ cách sử dụng hiển vi quang học.
Phƣơng pháp hiển vi điện tử truyền qua có ƣu thế hơn phƣơng pháp SEM ở chỗ nó có độ phóng đại rất lớn (độ phóng đại 400.000 lần với nhiều vật liệu, và với các nguyên tử nó có thể đạt đƣợc độ phóng đại tới 15 triệu lần).
Các bƣớc ghi ảnh TEM cũng tƣơng tự nhƣ với phƣơng pháp SEM. Khi chiếu một chùm điện tử lên mẫu vật, một phần dòng điện tử sẽ xuyên qua mẫu rồi đƣợc hội tụ tạo thành ảnh, ảnh này đƣợc truyền đến bộ phận khuếch đại, sau đó tƣơng tác với màn huỳnh quang tạo ra ảnh có thể quan sát đƣợc.
Mẫu vật liệu chuẩn bị cho ảnh TEM phải mỏng để dòng điện tử có thể xuyên qua giống nhƣ tia sáng xuyên qua vật thể trong kính hiển vi quang học, do đó việc chuẩn bị mẫu sẽ quết định tới chất lƣợng của ảnh TEM. Phƣơng pháp hiển vi điện tử truyền qua cho biết nhiều chi tiết nano của mẫu nghiên cứu: Hình dạng, kích thƣớc hạt, biên giới hạt, v.v… Nhờ cách tạo ảnh nhiễu xạ, vi nhiễu xạ và nano nhiễu
xạ, kính hiển vi điện tử truyền qua còn cho biết nhiều thông tin chính xác về cách sắp xếp các nguyên tử trong mẫu, theo dõi đƣợc cách sắp xếp đó trong chi tiết từng hạt, từng diện tích cỡ m2 và nhỏ hơn.
Các loại kính hiển vi điện tử hiện đại còn trang bị thêm các phƣơng tiện để phân tích thành phần hoá học của mẫu ở từng diện tích nhỏ hơn m2 ở những lớp ch vài ba nguyên tử bề mặt.
Trong luận văn kết quả chụp ảnh TEM đƣợc thực hiện trên máy của Viện vệ sinh dịch tễ quốc gia.
2.3.6. Phƣơng pháp phổ nhiễu x tia X (XRD)
Phƣơng pháp này dùng để xác định thành phần cấu trúc mạng tinh thể của mẫu cần nghiên cứu. Cơ sở của phƣơng pháp là dựa trên phƣơng trình Bragg về nhiễu xạ