8. Tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước
2.5. Các phương pháp nghiên cứu
2.5.1. Phương pháp phổ hồng ngoại
Phân tích phổ hồng ngoại (FTIR) [94] ta xác định được vị trí của vân phổ và cường độ, hình dạng của vân phổ. Phổ hồng ngoại thường được ghi dưới dạng đường cong sự phụ thuộc của phần trăm truyền qua (100Io/I) vào số sóng (υ = λ-1). Sự hấp thụ của các nhóm nguyên tử được thể hiện bởi những vân phổ ứng với các đỉnh phổ ở các số sóng xác định gọi là các tần số.
Phương pháp phổ hồng ngoại có vai trò hết sức quan trọng trong việc phân tích cấu trúc phân tử. Dựa theo tần số cường độ để xác định sự tồn tại của các nhóm liên kết trong phân tử. Sự chuyển dịch của tần số đặc trưng và thay đổi cường độ phản ánh sự tương tác giữa các nhóm liên kết cạnh nhau trong phân tử.
Phương pháp phổ hồng ngoại được sử dụng trong nghiên cứu để xác định cấu trúc của vật liệu Chitosan beads đã tổng hợp thông qua sự tồn tại của các nhóm chức. Phổ IR trong nghiên cứu được chụp trên máy FTIR-8400S (Nhật Bản) tại Trung tâm Nghiên cứu và Triển khai Công nghệ Bức xạ.
2.5.2. Phương pháp nghiên cứu cấu trúc hình thái học của vật liệu
Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) [95] giúp quan sát ảnh chụp bề mặt các đối tượng cực nhỏ để đánh giá cấu trúc nhờ độ phóng đại đến hàng chục vạn lần. Căn cứ vào độ phân giải của kính hiển vi điện tử có thể phân loại theo hình 2.2.
Hình 2.2. Dải làm việc của các loại hiển vi điện tử và quang học [87]
Cơ sở của phương pháp: Trong kính hiển vi điện tử mẫu bị bắn phá bởi chùm tia điện tử có độ hội tụ cao. Nếu mẫu đủ mỏng (< 200 nm) chùm tia sẽ xuyên qua mẫu, sự thay đổi của chùm tia khi qua mẫu sẽ cho những thông tin về các khuyết tật, thành phần
42
pha của mẫu, đó là kỹ thuật hiển vi điện tử xuyên qua (TEM). Khi mẫu dày hơn thì sau khi tương tác với bề mặt tia điện tử thứ cấp sẽ đi theo hướng khác. Các điện tử thứ cấp này sẽ được thu nhận và chuyển đổi thành hình ảnh (ảnh hiển vi điện tử quét SEM).
SEM (Scanning Electron Microscopy): Hiển vi điện tử quét
TEM (Transmission Electron Microscopy): Hiển vi điện tử truyền qua
HREM (High Resolution Electron Microscopy): Hiển vi điện tử phân giải cao Trong nghiên cứu vật liệu Chitosan beads, phương pháp hiển vi điện tử quét SEM giúp xác định được hình thái và kích thước của vật liệu nghiên cứu. Ảnh SEM của vật liệu được thực hiện trên máy FE – SEM S4800 Hitachi (Nhật Bản) tại phòng thí nghiệm công nghệ Nano – SHTP Labs, thuộc Trung tâm Nghiên cứu và Triển khai – khu Công Nghệ Cao Thành phố Hồ Chí Minh.
2.5.3. Phương pháp chuẩn độ Complexon - tạo phức EDTA xác định ion Cu2+
Phương pháp chuẩn độ complexon [4] là phương pháp chuẩn độ tạo phức sử dụng thuốc thử có là complexon (C) để chuẩn độ các ion kim loại (M), theo cân bằng tạo thành phức MC.
M + C MC (phức tan)
Complexon là tên chung để chỉ các axit aminopolycacboxylic. Một trong các axit aminopolycacboxylic được ứng dụng rộng rãi nhất trong phân tích thể tích là axit etylendiamintetraaxetic (ký hiệu EDTA-H4Y).
EDTA tạo phức bền với các ion kim loại và trong hầu hết trường hợp phản ứng tạo phức xảy ra theo tỉ lệ ion kim loại: thuốc thử là 1:1. Hằng số bền β của phản ứng tạo phức có giá trị khá cao.
43
2.5.3.1. Nguyên tắc xác định ion Cu2+, [3].
Dựa trên phản ứng tạo phức bền của Cu2+ với EDTA: Cu2+ + H2Y2- → CuY2- + 2H+
Phản ứng được tiến hành ở pH = 8, chất chỉ thị là murexit 1% trong NaCl. CuH4Ind+ (vàng nhạt) + H2Y2- → CuY2- + H4Ind- (tím)
2.5.3.2. Phân tích mẫu
Dùng pipep hút chính xác Vml (10 ml) dung dịch Cu2+ vào bình tam giác 250 ml, thêm một ít chất chỉ thị murexit, dùng dung dịch NH3 1N để điều chỉnh pH = 8 (thêm vài giọt dung dịch NH3 cho tới khi dung dịch có màu vàng nhạt thoáng đục). Chuẩn độ Cu2+ bằng dung dịch EDTA đã biết nồng độ cho đến khi dung dịch chuyển sang màu tím. Ghi số ml EDTA đã tiêu tốn (Vo ml), [3]. Sử dụng máy chuẩn độ điện thế tự động với sai số 0.01ml.
Hình 2.4. Máy chuẩn độ điện thế tự động Titroline
2.5.3.3. Kết quả phân tích
C (mg
L ) = CEDTA× VEDTA× 1000 × 64
44 Trong đó:
CEDTA : Nồng độ mol EDTA, 0.01M
VEDTA : Thể tích EDTA dùng chuẩn độ, ml Vmẫu : Thể tích mẫu phân tích, ml
2.5.4. Phương pháp trắc quang UV-VIS xác định Phosphate (PO43-)
Phương pháp trắc quang là phương pháp phân tích định lượng dựa vào hiệu ứng hấp thụ xảy ra khi phân tử vật chất tương tác với bức xạ điện từ. Vùng bức xạ được sử dụng trong phương pháp này là vùng tử ngoại gần hay khả kiến ứng với bước sóng khoảng 200÷800 nm. Hiện tượng hấp thụ bức xạ điện từ tuân theo định luật Bouger – Lam bert – Beer, [5].
2.5.4.1. Phương pháp đường chuẩn phân tích UV-VIS
Đồ thị theo hệ toạ độ A – C (mật độ quang - nồng độ) phải là đường thẳng đi qua gốc toạ độ. Để lập đồ thị A – C ta chọn hệ các dung dịch chất nghiên cứu có nồng độ chính xác C1, C2, C3,... Cn, xác lập các điều kiện để tạo các hợp chất có hiệu ứng hấp thụ bức xạ điện từ ở λmax chọn trước. Đo mật độ quang tương ứng A1, A2, A3,… An:
Bảng 2.1. Xây dựng đồ thị đường chuẩn xác định định nồng độ PO43-
Nồng độ C (mg/L) 0.05 0.25 0.75 1.25 2
Độ hấp thu A 0.0166985 0.076101 0.217934 0.362535 0.580662
Từ kết quả thu được về độ hấp thụ quang học trên bảng 3.15, có thể thiết lập đường chuẩn để xác định nồng độ PO43- trong mẫu nước có độ hấp thụ quang tương ứng như trên hình 2.5
45 Nồng độ (mg/L) 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 Đ ộ hấ p th u (A bs ) 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 y = 0.2887x + 0.0025 R2 = 1 Hình 3.18. Đường chuẩn xác định nồng độ PO43-
Từ đường chuẩn trên hình 3.18, có thể xác định được sự phụ thuộc của hàm lượng PO43- (x) theo độ hấp thụ quang tại bước sóng 690 nm (y) theo phương trình sau:
A = 0.2887C + 0.0025 (3.1)
Với hệ số tương quan
R2 = 1 (3.2)
2.5.4.2. Nguyên tắc xác định PO43-
Acid molybdophosphoric được tạo thành và được khử bởi stannous chloride để tạo thành phức có màu xanh molybdenum.
Tất cả các dạng tồn tại của Phospho trong mẫu nước ban đầu trước hết được chuyển hoá về dạng orthophosphat bằng phương pháp tiền xử lý mẫu phù hợp. Nếu chỉ xác định orthophosphat thì chỉ xử lý mẫu đơn giản.
Trong môi trường acid, orthophosphat trong mẫu phản ứng với ammonium molybdat tạo thành Molybdophosphoric acid.
46
PO43- + 12(NH4)2MoO4 + 24H+ (NH4)3PO43-.12MoO3 + 21NH4+ + 12H2O Acid này sau đó bị khử bởi SnCl2 và sản phẩm khử là một hợp chất có màu xanh dương:
(NH4)3PO43-.12MoO3 + SnCl2 hợp chất Molybdenum (xanh dương) + SnCl4
Độ hấp thu ánh sáng của màu tạo thành tỉ lệ thuận với nồng độ của P dưới dạng orthophosphat trong dung dịch mẫu, [6]
2.5.4.3. Phân tích mẫu
Lấy 25 ml (thể tích mẫu lấy chứa hàm lượng Phospho tổng không nhiều hơn 200µg) và không có màu và độ đục. Cộng thêm 0,05 ml (1giọt) chất chỉ thị phenolphthaleinvà trung hòa đến màu hồng nhạt bằng dung dịch NaOH. Thêm 1 ml dung dịch molybdate và 3 giọt SnCl2 vào các bình định mức chứa chuẩn. Sau 10 phút nhưng không quá 12 phút, so màu bằng máy so màu ở bước sóng 690 nm, [6].
2.5.4.4. Tính toán kết quả
- Nồng độ Phosphat trong nước được tính toán theo công thức sau:
C (mg
L ) = Cmẫu đo× VĐM
Vmẫu
Trong đó:
Cmẫuđo : Nồng độ phospho đo được, mg/l VĐM : Thể tích bình định mức, ml Vmẫu : Thể tích mẫu phân tích, ml
47
CHƯƠNG 3
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Phân tích hình thái học và cấu trúc vật liệu hấp phụ
Kết quả hình thái học của bề mặt vật liệu đã được phân tích trong nghiên cứu này theo phương pháp SEM được mô tả trong các hình sau đây:
1a) 1b)
1c) 1d)
Hình 3.1. Kết quả phân tích đặc điểm hình thái của vật liệu hạt Chitosan tạo liên kết ngang ion với STPP
48
Quan sát ảnh SEM của vật liệu hạt Chitosan, ta thấy vật liệu có hình thái xác định với dạng hình cầu với kích cỡ 1mm, không xuất hiện vết nứt, bề mặt nhám và xốp thể hiện được tính bền cơ học (hình 1a, 1b). Ở độ phóng đại 50um (hình 1c, 1d) thì hình thái bề mặt vật liệu không đồng nhất và gồ ghề, một phần là do sự bay hơi không đồng đều của các phân tử nước trên bề mặt hạt Chitosan trong quá trình sấy và hút ẩm. Bề mặt không đều với kết cấu giống hình dây đan xen và xếp chồng lên nhau không theo trật tự. Bề mặt này đã thể hiện việc gia tăng đáng kể diện tích tiếp xúc cũng như là các vị trí liên kết hoạt động hấp phụ được cung cấp nhiều hơn.
Hình 3.2. Kết quả phân tích đặc điểm hình thái của vật liệu hạt Chitosan/STPP sau khi
49
Hình ảnh SEM của vật liệu hạt Chitosan với độ phóng đại khác nhau cả bề mặt và mặt cắt thu được sau quá trình hấp phụ ion Cu2+ (hình 1e, 1f) và sau quá trình hấp phụ ion PO43- (hình 1g, 1h). Các vết nứt xuất hiện đã thể hiện sự biến đổi cấu trúc vật liệu ở trước và sau hấp phụ Cu2+. Trong quá trình thực hiện hấp phụ thì các hạt tiếp xúc và va chạm với nhau gây nên các vết nứt trên bề mặt vật liệu, vết nứt xuất hiện càng nhiều với nhiều mức độ dài ngắn khác nhau tại các vị trí ngẫu nhiên, đồng thời hiệu quả hấp phụ cũng tăng theo do sự len lõi từ các khe nứt vào phía bên trong vật liệu. Đối với ion PO43-
phụ thuộc vào hàm lượng Cu2+ tồn tại trong hạt Chitosan, hàm lượng Cu2+ càng cao thì hiệu suất hấp phụ PO43- càng cao, cũng như là sự hấp phụ ion PO43- trong nghiên cứu này phụ thuộc nhiều vào hàm lượng Cu2+ tồn tại trong hạt Chitosan.
3.2. Kết quả phân tích sự hiện diện các nhóm chức năng đặc trưng vật liệu
Kết quả phân tích đã thu được trong nghiên cứu này theo phương pháp phổ hồng ngoại (FTIR) được mô tả như hình 3.3 và bảng 3.1.
667892
2354
1029 1320 2858 3362
14211617
992 1996
Hình 3.3. Kết quả phân tích phổ hồng ngoại của vật liệu hạt Chitosan/STPP trước và
50
Bảng 3.1. Kết quả phân tích phổ hồng ngoại của vật liệu hạt Chitosan/STPP
trước và sau khi hấp phụ ion Cu2+ và PO43-
Nhóm chức đặc trưng Wavelength (cm-1)
Chitosan Số liệu thực
nghiệm
Số liệu đối chứng
Alkyne C-H uống cong 667 680-610 [131]
Saccharide 892 899 [132]
C-O kéo dài trong Acetamide (vC-O)
1029 1029 [132]
1063 1076 [132]
-C-O-C trong liên kết Glycosidic 1150 1157 [132]
Nhóm Amide III (β sheet) 1254 1250 [136]
Nhóm OH, CH
1320 1320 [132]
1421 1420 [132]
-C=O trong nhóm Acetamide (nhóm Amide I) 1558 1582 [138] -C=O trong nhóm Acetamide (nhóm Amide I) 1642 1633 [132]
Nhóm CH2 kéo dài đối xứng hoặc không đối xứng
2858 2832 [132]
Nhóm OH-, H- OH kéo dài 3362 3570–3200[131]
Nhóm C-O của hợp chất Cacbonyl 2354 2354 [133]
Ion Phosphate 1200-960
[134]
51
PO4 (P-O-C kéo dài) 992 992 [131]
PO4 (P-O-C kéo dài) 1026 1050 [131]
PO4 bending 1053 1050 [135]
HPO42- 1147.5 1145[136]
HPO42- 892 875 [134]
Ion Cu
Nhóm OH-, H-OH kéo dài 3362 3570–3200[131]
PO43-
992-1029
1200-960 [134] 1196
Nhóm Amin sơ cấp 1617 1610-1628 [137]
Trên hình 3.3 và bảng 3.1 là kết quả phân tích phổ hồng ngoại của vật liệu hạt Chitosan tạo liên kết ngang ion với STPP trước và sau hấp phụ ion kim loại Cu2+ và PO43-. Kết quả cho thấy Chitosan sau khi tạo liên kết ngang ion hầu như tồn tại đủ các nhóm chức đặc trưng, tại vị trí 892cm-1 dao động của cấu trúc Saccharide một trong những cấu trúc đặc trưng của Chitosan. Tại vị trí 3362cm-1 dao động nhóm OH-, H-OH (kéo dài). Các đỉnh ở 1642cm-1 và 1558cm-1 dao động của nhóm -C=O trong nhóm Acetamide (nhóm Amide I) và -C=O trong nhóm Acetamide (nhóm Amide II), tại vị trí đặc trưng khác 1421cm-1 cho thấy sự xuất hiện nhóm OH, CH. Đặc biệt ở vị trí 992cm-
1, 1026 cm-1, 1196cm-1 xuất hiện trong phổ cho thấy rung động nhóm PO4 (P-O-C kéo dài). Điều này cho thấy đã tổng hợp thành công các hạt Chitosan tạo liên kết ngang ion với STPP, tương tự như kết quả của một số tác giả (Muhammad Asadullah Madni, 2017), [138], (Cita Lustriane và cộng sự, 2018), [139], (Qi và cộng sự 2004), [140], (Bhumkar và Pokharkar 2006; Sarkar và cộng sự. 2013), [141].
Trên phổ hồng ngoại của Chitosan/STPP sau khi hấp phụ ion Cu2+ có sự thay đổi đáng kể về hình dạng bởi do Cu đã tạo liên kết với các nhóm chức năng như nhóm Amin
52
sơ cấp tại bước sóng 1617cm-1, nhóm PO43- tại các vị trí 992cm-1, 1029cm-1, 1196cm-1, nhóm OH-, H-OH tại vị trí 3362 cm-1. Cho thấy khả năng hấp phụ tốt ion Cu2+.
Tương tự tại phổ hồng ngoại của Chitosan/STPP/Cu sau khi hấp phụ PO43- có sự thay đổi khác biệt giữa Chitosan/STPP/Cu tại các vị trí đã hấp phụ Cu2+, cho thấy sự tồn tại của ion PO43-. Từ những kết quả trên cho thấy nghiên cứu này mang lại tính khả quan, tính kinh tế cao từ vật liệu hấp phụ sinh học có nguồn gốc tự nhiên có thể áp dụng vào thực tế do khả năng hấp phụ tốt của hạt Chitosan/STPP sau khi loại bỏ ion Cu2+ có thể tiếp tục sử dụng để hấp phụ ion PO43-.
3.3. Khảo sát các thông số tối ưu trong quá trình tạo vật liệu
3.3.1. Ảnh hưởng của hàm lượng Chitosan đến khả năng tạo hạt và khả năng hấp phụ phụ
Các nhóm chức NH3+ gắn trên cấu trúc phân tử Chitosan có thể liên kết với các nhóm tích điện âm trên STPP bằng liên kết ion để hình thành các mạng liên kết ngang trong cùng một mạch phân tử hay giữa các phân tử Chitosan thông qua tương tác ion. Phụ thuộc vào hàm lượng Chitosan trong dung dịch, nồng độ chất tạo liên kết ngang ion, pH dung dịch và thời gian tạo liên kết ngang, các hạt Chitosan có hình dáng và kích thước khác nhau có thể được tạo ra, [100].
Các hàm lượng dung dịch Chitosan khác nhau 2% - 4% (w/v) có pH 4.5 đã được nhỏ giọt vào dung dịch STPP 7,5%w/v có pH 8.7, ngâm hạt qua đêm. Hạt Chitosan hình thành được lọc qua bằng vải lọc và rửa lại bằng nước cất cho đến khi pH trung tính sau đó đem sấy ở nhiệt độ 40oC đến khi khối lượng hạt ổn định và hình dạng bên ngoài của các loại hạt Chitosan khác nhau được thể hiện trên hình 3.4.
Phụ thuộc vào nồng độ dung dịch Chitosan, hình dạng các hạt cườm Chitosan tạo được sẽ khác nhau. Có thể thấy rằng các hạt có cấu trúc cầu tương đối giống nhau từ F1 đến F5, khá đồng nhất đạt được từ dung dịch F3, trong khi các hạt tạo được từ công thức Chitosan có hàm lượng thấp (F1 và F2) có kích thước tương đối đồng nhất hạt hơi mềm, hơi dẹt do gốc PO43- dư. Điều này có thể là do tỷ lệ thấp của Chitosan so với chất tạo liên kết ngang đã làm tăng số điểm liên kết. Hơn nữa, liên kết ngang trong cùng một phân tử Chitosan cũng có thể xảy ra trong dung dịch loãng, kết quả hình thành các hạt có cấu trúc không ổn định tuy kích thước lớn hơn. Khi nồng độ dung dịch tăng lên, các hạt tạo ra có kích thước đều và ổn định hơn (F3). Tuy nhiên nếu tiếp tục tăng nồng độ
53
dung dịch Chitosan, các hạt cứng hơn, kích thước lớn hơn so với các nồng độ khác và độ nhớt dung dịch sẽ trở nên lớn hơn (F4 và F5). Điều này có thể là do phần dung dịch Chitosan tiếp xúc với STPP ban đầu đã hình thành cấu trúc liên kết ngang ion nhanh hơn phần sau nên hạt không giữ được hình cầu đồng nhất.
Hình 3.4. Các hàm lượng dung dịch Chitosan khác nhau 2% - 4% (w/v)
3.3.2. Ảnh hưởng của hàm lượng Chitosan đến khả năng hấp phụ
Đánh giá ảnh hưởng của nồng độ Chitosan đến khả năng hấp phụ ion kim loại nặng, trong nghiên cứu này, chúng tôi đã sử dụng lượng VLHP được giữ ở 1g/100ml và pH của dung dịch mẫu chứa ion Cu2+ ở pH = 5 (pH nước thải) ở nhiệt độ phòng, nồng độ STPP CSTPP = 7.5%w/v nồng độ ion Cu2+ ban đầu Co = 100 mg/L, thời gian hấp phụ T = 120 phút, được thực hiện trên máy lắc tròn với rpm = 250 v/p. Kết quả được xác