6. Cấu trúc luận vă n
2.2.2. Xác định một số chỉ tiêu hóa lý của chitin/chitosan
a. Xác định độ ẩm của chitin/chitosan
- Nguyên tắc: áp dụng phương pháp sấy khô sản phẩm đến khối lượng không đổi.
- Cách tiến hành:
Cốc sạch được sấy trong tủ sấy ở nhiệt độ 105oC đến trọng lượng không
đổi, dùng cân phân tích cân xác định trọng lượng cốc cân mo (g). Bỏ vào cốc khoảng 3g chitin/chitosan, đem cân phân tích, ghi nhận khối lượng, khi đó tổng lượng cốc cân và mẫu là m1 (g).
Đặt cốc vào tủ sấy đang ở nhiệt độ 105oC, sấy khoảng 4 giờ thì lấy cốc mẫu ra để nguội 15 phút trong bình hút ẩm có chất hút ẩm. Cân cốc mẫu đã sấy.
Cân xong để cốc vào sấy tiếp khoảng 2 giờ thì cân lại lần nữa cho đến khi trọng lượng cốc mẫu giữa các lần sấy không thay đổi. Ghi nhận khối lượng m2 (g).
Công thức tính độ ẩm: (W)
W = (m1 - m2)x100/(m1 - m0) (%) (2.2) Trong đó
mo: Khối lượng cốc sau khi sấy đến khối lượng không đổi m1: Khối lượng cốc và mẫu trước khi sấy.
m2: Khối lượng cốc và mẫu sau khi sấy đến khối lượng không đổi
b. Xác định hàm lượng tro của chitin/chitosan
Nguyên tắc: Tro hoá mẫu bằng nhiệt; sau đó xác định hàm lượng tro bằng phương pháp khối lượng.
Cách tiến hành:
Lấy 2 mẫu vừa được xác định độ ẩm đem đi tro hóa. Đốt cẩn thận trên bếp điện đến than hoá. Nung ở nhiệt độ 525 ± 25oC cho đến khi thu được tro màu trắng ngà (khi có mặt sắt sẽ có màu đỏ gạch, có mặt đồng và mangan có màu xanh nhạt).Làm nguội trong bình hút ẩm. Quá trình nung được lặp lại cho đến khi cốc nung có khối lượng không đổi m2. Để tăng nhanh quá trình tro hoá có thể cho vào cốc chứa tro (đã nguội) 3 – 5 giọt hydroperoxyt 5%, sau đó tiến hành như trên.
Hàm lượng tro (X) tính bằng % theo công thức:
X = [(m2-m0) × 100]/m1-m0 (2.3) Trong đó: m0: khối lượng cốc nung
m1: khối lượng cốc nung và mẫu ban đầu m2: khối lượng cốc nung và tro
Kết quả là trung bình cộng kết quả 2 lần xác định song song. Chênh lệch kết quả giữa 2 lần xác định song song không được lớn hơn 0,02%.
c. Hàm lượng chất không tan
- Nguyên lý: Chitosan tan được trong axit acetic loãng, còn chitin và các tạp chất khác thì không.
- Tiến hành: Cân chính xác 2,0 gam chitosan chưa tinh chế cho vào cốc
đựng 200 ml dung dịch axit acetic 1%, dùng máy khuấy từ khuấy đảo 60 phút cho chitosan tan hết rồi lọc, rửa cặn bằng axit acetic loãng, sau đó rửa lại bằng nước cất và đem sấy khô đến khối lượng không đổi. Thực hiện 3 mẫu, lấy kết quả trung bình.
100 . 4 3 m m m S - = (2.4)
Trong đó: m3: tổng khối lượng phễu, giấy lọc và tạp chất sau khi sấy (g). m4: khối lượng phễu lọc và giấy lọc trước khi sấy (g).
m : khối lượng chitosan sử dụng (g).
2.2.3. Phân tích định tính chitosan dựa trên phổ hồng ngoại [6], [9]
- Cơ sở lý thuyết
Phổ hồng ngoại (InfraRed Spectrum, IR) xuất hiện do phân tử hấp thụ
năng lượng bức xạ điện từ trong vùng hồng ngoại. Khi hấp thụ các bức xạ này (từ 2-50μm, tương ứng với số sóng 5000-200 cm-1), sẽ dẫn đến sự dao động của phân tử. Có hai loại dao động chính:
Dao động hóa trị (ký hiệu ν): là những dao động làm thay đổi độ dài liên kết giữa hai nguyên tử trong phân tử, nhưng không làm thay đổi góc liên kết.
Dao động biến dạng (ký hiệu δ): là những dao động làm thay góc liên kết nhưng không làm thay đổi độ dài liên kết.
Mỗi loại dao động trên còn được phân chia thành dao động đối xứng (ký hiệu νs, δs) và dao động bất đối xứng (ký hiệu νas, δas). Mỗi loại dao động thường có mức năng lượng khác nhau nên mỗi tần số hấp thụ khác nhau đặc trưng cho từng liên kết.
Số lượng các dao động riêng của phân tử phụ thuộc vào số lượng các nguyên tử trong phân tử và cấu trúc phân tử. Một phân tử có N nguyên tử thì tổng số các dao động riêng sẽ là:
3N - 5: đối với phân tử có cấu trúc thẳng.
3N - 6: đối với phân tử có cấu trúc không thẳng.
Dựa vào tần số hấp thụ đặc trưng riêng cho từng loại liên kết cho phép dự đoán được nhóm nguyên tử có mặt trong hợp chất khảo sát.
Bảng 2.1. Tần số dao động của một số nhóm chức hữu cơ [6]
ht: hóa trị, bd: biến dạng
Phương pháp phổ hồng ngoại dựa trên sự hấp thụ năng lượng bức xạ
trong vùng hồng ngoại của phân tử do sự thay đổi trạng thái năng lượng chuyển động quay và chuyển động dao động từ trạng thái năng lượng cơ bản
đến tráng thái năng lượng kích thích.
- Phương pháp chuẩn bị mẫu ghi phổ hồng ngoại: Chất đem ghi phổ
hồng ngoại có thểở trạng thái rắn, lỏng hoặc khí. Đối với mỗi trường hợp cần có một cuvet riêng và cách chuẩn bị mẫu thích hợp. Thường hay gặp mẫu lỏng hoặc rắn.
·Mẫu ở dạng lỏng hoặc dung dịch: chất lỏng tinh khiết được bơm vào khoảng giữa hai tấm tinh thể KBr, chiều dày lớp chất lỏng từ 0,01 - 0,05 mm. Có thể ghi phổ ở dạng dung dịch bằng cách hòa tan chất nghiên cứu (lỏng hoặc rắn) vào dung môi thích hợp (CCl4, CHCl3, CS2,..) rồi bơm dung dịch vào cuvet.
·Mẫu ở dạng rắn: chất nghiên cứu (2 - 5 mg) được nghiền nhỏ, trộn với bột KBr khan rồi ép thành tấm mỏng có chiều dày khoảng 0,1 mm (nhờ lực ép khoảng 7,5 - 10 tấn/cm2). Đặt mẫu ở dạng tấm mỏng vào cuvet để ghi phổ.
- Ứng dụng của phổ hồng ngoại trong hóa học
Phổ hấp thụ hồng ngoại được sử dụng rất rộng rãi trong nghiên cứu hóa học, đặc biệt trong hóa học hữu cơ. Sau đây là một sốứng dụng chủ yếu.
·Xác định cấu trúc phân tử Tần số, cm-1 Loại dao động Tần số, cm-1 Loại dao động 3700 – 3200 1900 - 1550 1600 - 1450 1310 - 1210 -OH (ht) C = O (ht) C = C thơm (ht) ete thơm (ht) 1140 - 1085 1200 - 1000 860 – 800 900 – 650 ete mạch hở (ht) C-O (ht) CH benzen thế para (bd) CH thơm (bd)
Dựa vào giá trị tần số và cường độ của các đỉnh hấp thụđặc trưng, ta có thể xác nhận sự có mặt của các nhóm nguyên tử trong phân tử, từ đó có thể
suy ra cấu trúc của phân tử. Tuy nhiên, để khẳng định hoàn toàn cấu trúc của hợp chất, cần kết hợp với một số phương pháp phổ khác.
·Phân tích định tính
Để nhận biết một hợp chất hữu cơ, ta so sánh phổ của nó với phổ của chất chuẩn. Với mục đích này, cần phải ghi phổ của chất nghiên cứu trong cùng điều kiện với phổ chuẩn. Hiện nay, người ta đã lập được bộ phổ chuẩn gồm hàng nghìn chất hữu cơ khác nhau.
Dựa vào phổ hồng ngoại, ta còn có thể đánh giá độ tinh khiết của một hợp chất bằng cách so sánh hai phổ đồ của hai mẫu thuộc cùng một hợp chất. Phổđồ của mẫu nào có ít đỉnh hấp thụ hơn sẽ là mẫu tinh khiết hơn.
2.2.4. Nghiên cứu chế tạo VLHP chitosan/than hoạt tính
a. Điều chế vật liệu hấp phụ chitosan/ than hoạt tính
Phương pháp này dựa trên cơ sở chất mang được ngâm vào dung dịch chitosan-axit axetic. Sau đó, lấy ra và tiếp tục ngâm chất mang vào dung dịch NaOH để làm đông tụ tạo màng chitosan trên chất mang.
Sự đông tụ tạo màng có thể được giải thích như sau: khi cho chitosan vào dung dịch axit axetic, các nhóm -NH2 trong phân tử chitosan sẽ tác dụng với các nhóm -COOH trong phân tử axit axetic để tạo muối theo phương trình có thể được viết đơn giản như sau:
R-NH2 + CH3COOH R-NH3COOHCH3 (R-NH2 chitosan) Muối R-NH3COOHCH3 phân cực nên có hiện tượng chitosan hòa tan vào axit axetic.Khi cho chất mang đã tẩm dung dịch chitosan - axit axetic vào dung NaOH thì NaOH tác dụng với muối natriaxetat và trả lại gốc NH2 không phân cực của chitosan, làm giảm tính tan của chitosan, khiến chitosan dễ dàng kết tủa tạo màng trên bề mặt chất mang.
Phản ứng tạo muối natriaxetat có thể được viết như sau:
R-NH3COOHCH3 + NaOH CH3COONa + R-NH2 + H2O
Điều kiện tiến hành: Cân x gam chitosan cho vào 100 ml dung dịch CH3COOH a%, khuấy cho chitosan tan hoàn toàn. Sau đó cân 5 gam than hoạt tính vào dung dịch chitosan đã hòa tan ở trên ngâm trong t phút ở nhiệt
độ phòng. Lấy ra và ngâm than hoạt tính trong dung dịch NaOH 5% để thực hiện sựđông tụ tạo màng chitosan trên các chất mang.
Các mẫu sau khi ngâm xong được rửa lại bằng nước trung tính để loại bỏ hết NaOH dư, rồi đem sấy khô đến khối lượng không đổi.
Quy trình điều chế VLHP chitosan/than hoạt tính được tiến hành như
hình 2.4.
Hình 2.4. Quy trình điều chế VLHP chitosan/than hoạt tính
Chitosan
Chitosan/ CH3COOH
Hoà tan a chitosan trong
dd CH3COOH a%
Cho 5g than hoạt tính vào ngâm, sau đó lọc rắn. Khảo sát nồng độ CH3COOH Khảo sát tỷ lệ CTS/CH3COOH (w/v) Khảo sát thời gian ngâm Vật liệu mang chitosan VLHP chitosan/than hoạt tính
Ngâm trong dd NaOH 5%. Rửa sạch, sấy khô
Định tính VLHP
(IR) Xác định độ xốp của
b. Định tính mẫu vật liệu hấp phụ chitosan/than hoat tính [10]
® Xác định độ xốp của VLHP (chụp SEM)
Nguyên tắc của phương pháp chụp SEM là dùng chùm điện tử để tạo
ảnh của mẫu nghiên cứu, ảnh đó khi đến màng huỳnh quang có thể đạt độ
phóng đại rất lớn từ hang nghìn đến hang chục nghìn lần.
Chùm điện tử được tạo ra từ catot qua hai tụ quang sẽ được hội tụ lên mẫu nghiên cứu. Chùm điện tử đập vào mẫu phát ra các điện tử phản xạ
thứ cấp. Mỗi điện tử phát xạ này qua điện thế gia tốc vào phần thu và biến
đổi thành tín hiệu sáng, chúng được khuếch đại đưa vào mạng lưới điều khiển tạo độ sáng trên màn hình. Mỗi điểm trên mẫu nghiên cứu cho một
điểm trên màn hình. Độ sáng tối trên màn hình tùy thuộc lượng điện tử thứ
cấp phát ra tới bộ thu, đồng thời còn phụ thuộc vào sự khuyết tật của bề
mặt của mẫu nghiên cứu. Đặc biệt, do sự hội tụ của các chùm tia nên có thể
nghiên cứu cả phần bên trong của vật chất.
Như vậy, kính hiển vi điện tử quét (SEM) sử dụng để khảo sát hình thái bề
mặt và cấu trúc lớp mỏng dưới bề mặt trong điều kiện chân không hay khảo sát bề mặt điện cực hoặc bề mặt bị ăn mòn, cũng như để phân tích thành phần hoá học của bề mặt.
Sơđồ cấu tạo của kính hiển vi điện tử quét được mô tảở hình 2.5
1- Nguồn phát điện tử đơn sắc; 2- Thấu kính điện tử; 3- Mẫu nghiên cứu; 4- Detector điện tử thứ cấp; 5- Detector điện tử xuyên qua; 6- Khuếch
đại tín hiệu; 7- Bộ lọc tia.
® Định tính cấu trúc chitosan/than hoạt tính bằng phổ hồng ngoại (IR) tương tự nhưđịnh tính cấu trúc chitosan.
2.2.5. Nghiên cứu khả năng hấp phụ ion Ni2+, Cu2+ của VLHP chitosan/ than hoạt tính
a. Phương pháp hấp phụ bể [1], [10]
Chuẩn bị: Cân a gamchitosan/ than hoạt tính cho mỗi lần thí nghiệm.
Điều kiện tiến hành: Cho a gam chitosan/ than hoạt tính vào 2 bình tam giác chứa 100 ml dung dịch ion kim loại Ni2+, Cu2+ nồng độ C (mg/l), pH
khuấy bằng máy khuấy từ. Tiến hành thí nghiệm với thời gian t (giờ) ở nhiệt
độ phòng.
Kết thúc thí nghiệm, lọc lấy dung dịch vào bình tam giác có nút nhám. Sau đó đem xác định nồng độ ion kim loại Ni2+, Cu2+ còn lại bằng phương pháp hấp thụ nguyên tử AAS.
Thay đổi các thông số thí nghiệm khác nhau: pH, tỉ lệ rắn/ lỏng, thời gian, nồng độ ban đầu của ion kim loại để xác định điều kiện hấp phụ tối ưu. Sau đó, xây dựng phương trình hấp phụ Ni2+, Cu2+ của chitosan/than hoạt tính theo phương trình đẳng nhiệt Langmuir và đánh giá khả năng hấp phụ Ni2+,
Cu2+ của chitosan/ than hoạt tính.
* Tải trọng hấp phụ là lượng chất bị hấp phụ bởi 1 gam chất hấp phụ rắn,
được tính theo công thức:
q = m V C Ci f). ( - (2.5) * Hiệu suất hấp phụ (H%) được tính theo công thức:
H (%) = .100 i f i C C C - % (2.6) Trong đó: q : Tải trọng hấp phụ (mg/g). H : Hiệu suất hấp phụ (%).
Ci : Nồng độ của dung dịch trước khi hấp phụ (mg/l). Cf : Nồng độ của dung dịch sau khi hấp phụ (mg/l). V : Thể tích dung dịch đem hấp phụ (l).
m : Khối lượng chất hấp phụ (g). - Khảo sát ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ
Điều kiện tiến hành: Tiến hành ởđiều kiện như trên, với:
C = 20 (mg/l); pH thay đổi từ 1 ÷ 9; t = 12 giờ; tỉ lệ rắn/lỏng = 5/100 (w/v). Từ kết quả khảo sát, chọn pH tốt nhất cho các nghiên cứu tiếp theo. - Khảo sát ảnh hưởng tỉ lệ rắn/ lỏng đến quá trình hấp phụ Điều kiện tiến hành: Tiến hành ởđiều kiện như trên, với: C = 20 (mg/l); pH là giá trị tối ưu; t =12 giờ; tỉ lệ rắn/ lỏng thay đổi từ 5/100 ÷ 15/100 (w/v). Từ kết quả khảo sát, chọn tỉ lệ rắn/ lỏng tốt nhất cho các nghiên cứu tiếp theo. - Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ Điều kiện tiến hành: Tiến hành ởđiều kiện như trên, với: pH là giá trị tối ưu; C = 20 (mg/l); t thay đổi từ 3 ÷ 20 giờ; tỉ lệ rắn/ lỏng là giá trị tối ưu. Từ kết quả khảo sát, chọn thời gian tối ưu (tức là: thời gian đạt cân bằng hấp phụ) cho các nghiên cứu tiếp theo.
- Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ ion Ni2+, Cu2+ đến quá trình hấp phụ
Điều kiện tiến hành: Tiến hành ởđiều kiện như trên, với: C thay đổi từ
10 ÷ 120 (mg/l); pH là giá trị tối ưu; t là thời gian tối ưu; tỉ lệ rắn/ lỏng là giá trị tối ưu.
Từ các kết quả thu được, tiến hành hồi qui các số liệu thực nghiệm bằng các phần mềm chuyên dụng để xác định các hằng số của phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir. Qua đó xác định tải trọng hấp phụ cực đại của ion kim loại Ni2+ ,Cu2+. Phương trình đẳng nhiệt có dạng : f f C b C b q q . 1 . . max + = q : tải trọng hấp phụ tại thời điểm cân bằng. qmax : tải trọng hấp phụ cực đại.
b : hằng số đặc trưng cho năng lượng tương tác của chất hấp phụ
và chất bị hấp phụ.
Để xác định các hằng số trong phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir, có thể chuyển phương trình trên thành phương trình đường thẳng:
max max . 1 . 1 q b C q q C f f = +
Đây là phương trình đường thẳng biểu thị sự phụ thuộc của Cf/q vào Cf. Từ phương trình này, ta xác định được các hằng số qmax và b trong phương trình từđộ dốc và đoạn cắt trục tung.
b. Phương pháp hấp phụ cột
Chuẩn bị cột chitosan/ than hoạt tính: Dùng một cột thủy tinh 50 ml x 1 cm đã rửa sạch, sấy khô, phía dưới có khóa đóng mở. Dùng kẹp lắp lên giá cho cột thẳng đứng, khóa ở phía dưới đóng lại. Lót một lớp bông thấm nước ở
dưới đáy rồi đổ vào cột a gam chitosan/than hoạt tính, rồi cho 20 ml nước cất (dung môi rửa cột). Gõ nhẹ cho lớp hấp phụ lắng đều, đồng thời để cho các bọt khí thoát ra. Mở khóa loại bỏ dung môi rửa cột, đến khi dung môi cách bề
mặt của lớp hấp phụ 0,5 cm thì khóa lại.
Điều kiện tiến hành: Cho 300 ml dung dịch Ni2+, Cu2+ có nồng độ C (mg/l), pH qua cột chitosan/than hoạt tính ở nhiệt độ phòng. Điều chỉnh cho
(
dung dịch chảy ra với tốc độ là x (ml/phút). Thu dung dịch chảy ra, xác định nồng độ Ni2+ còn lại trong dung dịch bằng phương pháp hấp thụ nguyên tử
AAS. Ứng với từng yếu tố khảo sát (tốc độ chảy, tỉ lệ rắn/ lỏng, pH, nồng độ