5. Bố cục luận văn
3.1.1.Tổng hợp hạt nano oxit sắt từ Fe3O4NP
Chúng tôi tiến hành điều chế các hạt nano oxit sắt từ Fe3O4NP theo quy trình 2.2.1 với mục tiêu điều chế đƣợc các hạt nano có kích thƣớc nằm trong khoảng 10 - 20nm. Quy trình đƣợc tiến hành nhƣ sau:
Hòa tan 2,78 g FeSO4.7H2O và 4 g Fe2(SO4)3 (tỉ lệ mol Fe2+ : Fe3+ = 1 : 2) vào 100 ml nƣớc cất trong bình cầu ba cổ, đặt trên máy khuấy từ, khuấy đều liên tục ở nhiệt độ phòng cho đến khi thu đƣợc dung dịch màu đỏ nâu đồng nhất. Cho từ từ từng giọt dung dịch NH3 25% vào hỗn hợp trên cho đến khi dung dịch chuyển sang màu đen. Tiếp tục khuấy và gia nhiệt dung dịch ở 800C trong 2 giờ, thu đƣợc hệ huyền phù Fe3O4NP. Thí nghiệm đƣợc tiến hành trong môi trƣờng khí Argon. Sự thay đổi màu của dung dịch trong suốt quá trình phản ứng đƣợc trình bày ở hình 3.1.
Hình 3.1. Sự đổi màu sắc của dung dịch phản ứng: màu của hỗn hợp dung dịch muối Fe2+ và Fe3+ trước phản ứng (a); khi nhỏ dung dịch NH3 (b); sau khi thêm
dung dịch NH3 (c); sau khi gia nhiệt và để nguội ở nhiệt độ phòng (d).
(c)
(b) (a)
Sản phẩm Fe3O4NP đƣợc để nguội đến nhiệt độ phòng (hình 3.2a), thu hồi bằng từ trƣờng ngoài (hình 3.2b), rửa bằng nƣớc cất đến pH trung tính, cuối cùng rửa 3 lần bằng ethanol. Sản phẩm Fe3O4NP đƣợc sấy ở 60oC trong tủ sấy chân không trong 3 giờ, lƣu giữ ở nhiệt độ phòng (hình 3.2c).
Hình 3.2. Các hạt nano Fe3O4NP được phân tán trong ethanol khi không có từ trường ngoài (a), khi có từ trường ngoài (b), sau khi sấy khô (c).
3.1.2. Xác định các đặc trưng của vật liệu bằng phương pháp phân tích hóa-lý
Để khẳng định sản phẩm thu đƣợc là các hạt nano Fe3O4NP, mẫu đƣợc phân tích các đặc trƣng hóa lý bao gồm kích thƣớc và hình thái bề mặt, cấu trúc tinh thể, nhóm chức, thành phần hóa học, từ độ bão hòa thông qua các phép phân tích tƣơng ứng, gồm: chụp ảnh hiển vi điện tử truyền qua (TEM), phân tích nhiễu xạ tia X (XRD), đo quang phổ hồng ngoại (FT-IR), đo phổ tán sắc năng lƣợng tia X (EDX), đo đƣờng cong từ trễ (VSM).
a. Kết quả chụp TEM
Để xác định hình dạng và kích thƣớc của các hạt nano Fe3O4NP, chúng tôi phân tán mẫu trong dung môi ethanol, sau đó tiến hành chụp ảnh truyền qua TEM. Kết quả đƣợc thể hiện ở hình 3.3 cho thấy các hạt nano Fe3O4NP tạo thành đa số có dạng cầu, kích thƣớc nằm trong khoảng 10 – 17 nm.
(c)
Hình 3.3. Ảnh TEM của mẫu Fe3O4NP đã điều chế phân tán trong dung môi ethanol b. Kết quả nhiễu xạ tia X (XRD)
Hình 3.4 là giản đồ nhiễu xạ tia X chuẩn của các oxit sắt Fe3O4 (magnetite) và γ-Fe2O3 (maghemite). Trên giản đồ của Fe3O4 cho thấy có 6 đỉnh có cƣờng độ cao ứng với các góc 2θ lần lƣợt 30,1o; 35,5o, 43,1o; 53,4o; 57o; 62,6o. Đây chính là nhiễu xạ đặc trƣng cho các mặt phản xạ (220), (311), (400), (422), (511) và (440) của cấu trúc spinel Fe3O4. Đối chiếu 2 giản đồ cho thấy các đỉnh nhiễu xạ của vật liệu Fe3O4 và γ-Fe2O3 khá giống nhau về vị trí và cƣờng độ tƣơng đối. Các đỉnh nhiễu xạ của γ-Fe2O3 hơi dịch về phía có góc nhiễu xạ lớn hơn so với Fe3O4, một vài đỉnh khác biệt có cƣờng độ nhỏ ([213], [210], [113]) và rất khó xác định đối các giản đồ nhiễu xạ không thực sự sắc nét.
Hình 3.5 là giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu nano Fe3O4NP đã đƣợc điều chế theo quy trình 2.2.1 sau khi sấy ở 60o
C trong tủ sấy chân không. Dễ dàng nhận thấy các đỉnh nhiễu xạ của mẫu này có vị trí và cƣờng độ gần trùng với các đỉnh nhiễu xạ của các vật liệu Fe3O4 và γ-Fe2O3. Từ đó, có thể khẳng định rằng mẫu Fe3O4NP điều chế đƣợc có thể tồn tại dƣới dạng Fe3O4 hoặc γ-Fe2O3 hoặc cả hai. Điều này có thể lí giải do một phần Fe3O4 bị oxi hóa nhẹ trong khi sấy tạo thành γ-Fe2O3.
Hình 3.5. Giản đồ nhiễu xạ tia X của Fe3O4NP c. Kết quả quang phổ hồng ngoại FT-IR
Kết quả phân tích quang phổ hồng ngoại (FT-IR) của mẫu Fe3O4NP đã điều chế đƣợc thể hiện trong hình 3.6. Các peak hấp thụ tại các dải 582 cm-1, 1633 cm-1, 3419 cm-1 lần lƣợt là dao động kéo căng Fe – O, dao động kéo căng của O – H và dao động biến dạng O – H. Sự xuất hiện các peak tại các dải 3419 cm-1
và 1633 cm-1 có thể giải thích do các hạt nano Fe3O4 đƣợc tổng hợp trong môi trƣờng nƣớc nên có sự tồn tại của nhóm -OH.
(220) (311) (400) (400) (422) (422) (511) (440)
Hình 3.6. Phổ hồng ngoại (FT-IR) của Fe3O4NP d. Kết quả phân tích phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX)
Phổ tán sắc năng lƣợng tia X trên mẫu nano Fe3O4NP đã đƣợc sấy khô đƣợc ghi lại để xác định thành phần và định lƣợng các nguyên tố có mặt trong mẫu. Thành phần định lƣợng của các nguyên tố trong mẫu đƣợc thể hiện ở bảng 3.1.
Giản đồ tán sắc năng lƣợng tia X trình bày ở hình 3.7 cho thấy các đỉnh tại các giá trị năng lƣợng 0,75 keV và 6,5 keV đặc trƣng cho nguyên tố Fe, đỉnh có giá trị 0,5 keV ứng với nguyên tố oxy.
Bảng 3.1. Thành phần định lượng các nguyên tố trong mẫu Fe3O4NP
Spectrum processing :
Peak possibly omitted : 2.290 keV
Processing option : All elements analyzed (Normalised) Number of iterations = 3
Element Weight% Atomic% O K 45,28 74,29 Fe K 54,72 25,71 Total 100.00 100.00
Hình 3.7. Phổ năng lượng EDX của mẫu Fe3O4NP trong mẫu Fe3O4NP đã tổng hợp được bằng phương pháp đồng kết tủa
e. Đường cong từ trễ của Fe3O4NP (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Đƣờng cong từ trễ ở hình 3.8 cho thấy sản phẩm điều chế đƣợc có độ từ bão hòa là 73,75 emu/g. Kết quả này là khá cao, gần với ngƣỡng độ từ bão hòa của Fe3O4 ở dạng khối (nằm trong khoảng 80 – 90 emu/g). Đồng thời, lực kháng từ của mẫu gần nhƣ bằng 0, do đó khẳng định sản phẩm Fe3O4NP thu đƣợc.tính chất siêu thuận đặc trƣng.
Nhằm tăng độ ổn định của các hạt nano Fe3O4NP, đồng thời biến tính bề mặt hạt nano tạo thuận lợi cho việc cố định enzyme lipase lên chất mang, vật liệu Fe3O4NPs-Chitosan có cấu trúc lõi-vỏ (core-shell) đƣợc tổng hợp theo quy trình sau:
Cho 3 gam Fe3O4NP vào dung dịch chitosan 1% đã chuẩn bị, thêm vào 2ml dung dịch glutaraldehyde 10%, tiếp tục khuấy trong 1 giờ, hỗn hợp đƣợc già hóa trong 2 giờ tiếp theo. Thu hồi Fe3O4NPs-chitosan bằng từ trƣờng ngoài và rửa nhiều lần với nƣớc cất để loại bỏ lƣợng chitosan dƣ.
3.2.2. Xác định các đặc trưng của vật liệu bằng phương pháp phân tích hóa-lý
a. Kết quả chụp TEM
Kết quả phân tích hình thái bề mặt và kích thƣớc đƣợc thể hiện ở hình 3.9b cho thấy các hạt nano Fe3O4NPs-chitosan tạo thành có kích thƣớc khoảng 17 - 18 nm. So sánh với kích thƣớc hạt nano Fe3O4NP khi chƣa bọc chitosan, đƣờng kính của các hạt nano tăng lên, điều này đƣợc giải thích là do có một lớp chitosan bao bọc ngoài các hạt nano Fe3O4NP.
Hình 3.9. Ảnh chụp TEM của hạt nano Fe3O4NP (a) và Fe3O4NPs-Chitosan (b)
b. Kết quả phân tích nhiễu xạ tia X (XRD)
Kết quả phân tích nhiễu xạ tia X của vật liệu Fe3O4NPs-Chitosan đƣợc thể hiện ở hình 3.10. Đối với các hạt vi cầu Fe3O4NPs-Chitosan, phổ nhiễu xạ tia X cũng xuất hiện 6 peak đặc trƣng giống nhƣ mẫu Fe3O4NP (hình 3.11). Từ kết quả phân tích cho thấy quá trình phủ chitosan không làm thay đổi pha của hạt nano Fe3O4NP.
Hình 3.10. Giản đồ nhiễu xạ tia X của vật liệu Fe3O4NPs-Chitosan đã tổng hợp
Hình 3.11. So sánh giản đồ nhiễu xạ của hạt nano Fe3O4NP (a), của vật liệu Fe3O4NPs-chitosan (b)
Meas. data:mau2_Theta_2-Theta magnetite HP, syn, iron diiron(III) oxide, Zeol ite X, (Na, Te), Fe3 O4, 01-071-6337
Inte ns ity (cou nts ) 0 2000 4000 6000 8000 2-theta (deg) 10 20 30 40 50 60 70 80
magnetite HP, syn, iron diiron(III) oxide, Zeolite X, (Na, Te), Fe3 O4, 01-071-6337
(220) (311) (400) (422) (511) (440) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 2-theta (deg) (a) (b)
tôi tiến hành so sánh phổ IR của vật liệu Fe3O4NPs-Chitosan tổng hợp đƣợc (hình 3.12b) với phổ IR của polyme chitosan (hình 3.12a). Phổ IR của vật liệu nano từ tính Fe3O4NPs-Chitosan cho thấy peak hấp thụ tại dải 583 cm-1 đặc trƣng cho liên kết Fe-O xác nhận vật liệu tổng hợp đƣợc có chứa Fe3O4. Ngoài ra còn thấy các peak hấp thụ tại dải 1641 cm-1 và 1404 cm-1 là các dao động đặc trƣng của nhóm N- H và nhóm -C-O- trong phân tử chitosan. Kết quả trên cùng với sự tăng lên về kích thƣớc của hạt Fe3O4NP cho phép khẳng chitosan đã đƣợc phủ thành công lên hạt nano Fe3O4NP.
Hình 3.12. Phổ hồng ngoại (FT-IR) của chitosan (a) và Fe3O4NPs-CS (b) d. Đường cong từ trễ của vật liệu Fe3O4NPs-CS
Giá trị từ độ bão hòa của Fe3O4NPs-CS là 49,03 emu/g, thấp hơn so với độ từ bão hòa của Fe3O4NP đƣợc thể hiện trong hình 3.13. Điều này đƣợc giải thích là
(a)
việc phủ chitosan lên trên bề mặt Fe3O4NP đã làm giảm độ từ bão hòa ban đầu của nó. Tuy nhiên, lực kháng từ của mẫu Fe3O4NPs-CS hầu nhƣ vẫn bằng 0, nên sau khi phủ chitosan, vật liệu Fe3O4NPs-CS thu đƣợc vẫn mang tính siêu thuận từ.
Hình 3.13. Đường cong từ trễ của Fe3O4NP và Fe3O4NPs-CS
3.3. Cố định enzyme lipase lên bề mặt vật liệu Fe3O4NPs-CS và phân tích đặc trƣng của sản phẩm. trƣng của sản phẩm.
3.3.1. Cố định enzyme lipase lên bề mặt vật liệu Fe3O4NPs-CS
Tiến hành cố định enzyme bằng phƣơng pháp tạo liên kết chéo sử dụng chất tạo cầu nối là glutaraldehyde. Do phân tử chitosan bao phủ bề mặt Fe3O4NP và phân tử enzyme đều có nhóm amin (-NH2), vì vậy glutaraldehyde (trong phân tử chứa 2 nhóm cacbonyl –CHO) đóng vai trò nhƣ một cầu nối giữa chitosan và enzyme lipase thông qua việc hình thành liên kết C=N do phản ứng giữa nhóm –NH2 và nhóm –CHO đƣợc trình bày nhƣ sau:
Fe3O4NPs –Chitosan – N=CH – (CH2)3 – CH=N – Lipase
Quá trình cố định enzyme đƣợc tiến hành theo quy trình 2.2.3: Cho 2g Fe3O4NPs-CS vào 20ml dung dịch glutaraldehyde 10% đƣợc pha trong đệm phosphate (pH = 7,5). Hỗn hợp đƣợc khuấy ở nhiệt độ phòng trong 5 giờ. Thu hồi sản phẩm Fe3O4NPs-CS đã hoạt hóa với glutaraldehyde bằng từ trƣờng ngoài, rửa nhiều lần bằng nƣớc cất để loại bỏ glutaraldehyde dƣ.
-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 -15000 -10000 -5000 0 5000 10000 15000 Fe3O4NP Fe3O4NPs-chitosan
mặt Fe3O4NPs-CS đã đƣợc chức năng hóa. Sản phẩm enzyme cố định đƣợc tách bằng từ trƣờng ngoài và rửa nhiều lần với đệm phosphate để loại bỏ enzyme lipase tự do không gắn kết hóa học. Sấy khô sản phẩm thu đƣợc ở nhiệt độ 400C trong tủ sấy chân không và bảo quản ở nhiệt độ 40C (hình 3.14)
Hình 3.14. Sản phẩm enzyme cố định Fe3O4NPs-CS-lipase sau khi sấy khô trong chân không ở 400C
3.3.2. Phân tích đặc trưng của sản phẩm enzyme cố định Fe3O4NPs-CS-lipase (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
a. Kết quả nhiễu xạ tia X (XRD)
Kết quả phân tích nhiễu xạ tia X của hệ xúc tác Fe3O4NPs-chitosan-lipase đƣợc thể hiện ở hình 3.15. Trên phổ đồ vẫn xuất hiện 6 đỉnh đặc trƣng cho cấu trúc tinh thể của Fe3O4 tại các góc 2θ gần giống với phổ của Fe3O4 và Fe3O4NPs- chitosan (hình 3.16). Kết quả này chứng tỏ rằng quá trình biến tính bề mặt hạt nano oxit sắt từ và cố định enzyme không làm thay đổi pha của hạt nano Fe3O4NP. Nhƣ vậy các hạt nano từ tính có thể đảm bảo tính chất từ của chúng trong cho các ứng dụng tiếp theo.
Hình 3.15. Giản đồ nhiễu xạ tia X của vật liệu xúc tác Fe3O4NPs-CS-lipase
Hình 3.16. So sánh giản đồ nhiễu xạ tia X của hạt nano Fe3O4NP (a), của vật liệu Fe3O4NPs-CS (b), của Fe3O4NPs-CS-lipase (c)
b. Kết quả quang phổ hồng ngoại FT-IR
Phổ hồng ngoại (FT-IR) của enzyme lipase cố định đƣợc trình bày ở hình 3.17b và so sánh với phổ hồng ngoại của lipase tự do (hình 3.17a) cho thấy có sự
(220) (311) (400) (422) (511) (440) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 2-theta (deg) (a) (b) (c)
và 1025 cm-1 của enzyme lipase cố định tƣơng ứng với các dải 1430 cm-1 và 1050 cm-1 trong phổ hồng ngoại của enzyme lipase tự do, chứng tỏ enzyme đã đƣợc cố định thành công lên vật liệu thông qua tác nhân tạo cầu nối là glutaraldehyde..
Hình 3.17. Phổ hồng ngoại (FT-IR) của lipase tự do (a), Fe3O4NPs-CS-lipase (b) c. Đường cong từ trễ của Fe3O4NPs-CS-lipase
Giá trị từ bão hòa của mẫu Fe3O4NPs-CS-lipase (hình 3.18) đo đƣợc là 38,29 emu/g, thấp hơn so với giá trị đo đƣợc của Fe3O4NPs-CS (49,03 emu/g) và Fe3O4NPs (73,75 emu/g). Nhƣ vậy, giá trị từ độ bão hòa giảm dần trong suốt quá trình biến tính bề mặt chất mang và cố định enzyme. Nhƣ vậy, việc hình thành lớp bao phủ và gắn kết enzyme lipse không có tính chất từ lên trên bề mặt của các hạt nano oxit sắt từ đã ảnh hƣởng đến từ tính của vật liệu. Tuy nhiên, từ tính của các vật
(b) (a)
liệu xúc tác Fe3O4NPs-CS-lipase vẫn còn tƣơng đối cao và lực kháng từ bằng 0, nên vật liệu vẫn có tính siêu thuận từ và vẫn có thể tách nó ra khỏi môi trƣờng phản ửng bằng từ trƣờng ngoài.
Hình 3.18. Đường cong từ hóa của mẫu Fe3O4NP, Fe3O4NPs-CS và Fe3O4NPs-CS- lipase
3.4. Các yếu tố ảnh hƣởng đến phản ứng ester chéo hóa dầu đậu nành với methanol, xúc tác bởi Fe3O4NPs-CS-lipase methanol, xúc tác bởi Fe3O4NPs-CS-lipase
3.4.1. Ảnh hưởng của dung môi đến phản ứng xúc tác
Phản ứng ester chéo hóa đƣợc thực hiện giữa 2 cấu tử chất phản ứng hòa tan rất hạn chế vào nhau là dầu và methanol, đây là một trong những nguyên nhân gây ra giảm tƣơng tác giữa các cơ chất tham gia phản ứng. Vì vậy, để tăng cƣờng hiệu quả tƣơng tác giữa dầu, methanol và xúc tác Fe3O4NPs-CS-lipase, việc thêm dung môi trơ có vào hệ phản ứng để làm tăng khả năng tƣơng tác giữa các cơ chất là điều cần thiết, từ đó tăng hiệu suất chuyển hóa.
Để đánh giá vai trò của dung môi trơ vào hiệu suất của quá trình chuyển hóa dầu tạo biodiesel, chúng tôi tiến hành thực hiện phản ứng ester chéo hóa dầu với methanol với sự khi có mặt và không có mặt của 1 ml dung môi n-hexane trong dầu. Phản ứng đƣợc tiến hành trong điều kiện phản ứng nhƣ sau: Nhiệt độ phản ứng 350C; lƣợng enzyme Fe3O4NPs-CS-lipase 0,25 g; tỉ lệ số mol dầu: metanol = 1: 4 (tƣơng ứng 11 ml dầu là và 2,8 ml methanol); thời gian phản ứng là 30 giờ.
Fe3O4NPs
Fe3O4NPs-chitosan
glyceride, thu lấy phần methyl ester, sau đó loại nƣớc bằng cách làm khan với Na2SO4, thu lƣợng sản phẩm methyl ester sau cùng.
Hiệu suất của quá trình chuyển hóa đƣợc xác định bằng cách đo thể tích sản phẩm methyl ester sau cùng và độ nhớt của nó để xác định % methyl ester nguyên chất, từ đó tính hiệu suất của quá trình chuyển hóa theo công thức: H ≈ (Vsản phẩm
/V dầu nguyên liệu)* % methyl ester *100. Kết quả nghiên cứu đƣợc trình bày ở bảng
3.2.
Bảng 3.2. Độ nhớt động học của sản phẩm và hiệu suất chuyển hóa tạo biodiesel thực hiện theo 2 phương pháp bổ sung n-hexane và không bổ sung n-hexane
Mẫu Thêm 1(ml) n-hexane Không thêm n-hexane
Thể tích sản phẩm thu đƣợc 10.5 10.1 Độ nhớt động học µ (mm2/s) 5.879 6.752 % methyl ester 95.40 86.78 Hiệu suất (%) 91.06 79.68
Nhận xét: Khi thêm dung môi n-hexane vào hỗn hợp phản ứng ban đầu, hiệu suất của quá trình chuyển hóa tăng lên. Nguyên nhân đƣợc giải thích là do sự có mặt của n-hexane làm giảm độ nhớt của hỗn hợp phản ứng và tăng độ tan của methanol trong dầu, từ đó làm tăng hiệu quả va chạm của các phân tử chất tham gia phản ứng với trung tâm hoạt động của enzyme để tạo ra phức chất trung gian hoạt động chuyển hóa tạo sản phẩm. Vì vậy, để tăng hiệu suất chuyển hóa dầu thành biodiesel, cần thêm dung môi n-hexane vào hỗn hợp phản ứng ban đầu.
3.4.2. Ảnh hưởng của tỉ lệ số mol dầu : methanol đến hiệu suất chuyển hóa
Dựa theo phƣơng trình phản ứng ester chéo hóa, tỉ lệ về số mol methanol :
(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});