6. Cấu trúc luận vă n
1.5.3. Giới thiệu về niken và đồng
a. Niken
Niken là kim loại đã được sử dụng từ rất lâu, có thể từ năm 3500 trước Công nguyên. Quặng đồng được tìm thấy ở Syria có chứa niken đến 2%. Ngoài ra có nhiều văn bản cổ của Trung Quốc nói rằng loại "đồng trắng" này đã được sử dụng ở phương Đông từ những năm 1700 đến 1400 trước Công nguyên.
Nguyên tố niken kí hiệu là Ni, có số hiệu nguyên tử là 28, thuộc nhóm VIIIB trong bảng hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hóa học, với khối lượng nguyên tử là 59. Niken nằm trong nhóm sắt từ. Niken là một kim loại màu trắng bạc, bề mặt bóng láng. Đặc tính cơ học của kim loại này: cứng, dễ dát mỏng và dễ uốn, dễ kéo sợi. Trong tự nhiên, niken xuất hiện ở dạng hợp chất với lưu huỳnh trong khoáng chất millerit, với asen trong khoáng chất niccolit, và với asen cùng lưu huỳnh trong quặng niken.
Niken thường có mặt trong các chất sa lắng, trầm tích, trong thủy hải sản và trong một số thực vật.
Niken có hai dạng thù hình: α - Ni lục phương bền ở dưới 250°C và β - Ni lập phương tâm diện bền ở trên 250°C. Niken là kim loại có tính linh động cao trong môi trường nước, có khả năng tạo phức bền với các chất hữu cơ.
Khoảng 65% lượng niken được tiêu thụở phương Tây được dùng để sản xuất thép không gỉ. 12% được dùng làm "siêu hợp kim" và 23% còn lại được dùng trong luyện thép, pin sạc, chất xúc tác và các hóa chất khác, đúc tiền, sản phẩm đúc, và bảng kim loại.
Niken có thể gây các bệnh về da, tăng khả năng mắc bệnh ưng thư đường hô hấp,... Khi bị nhiễm độc niken, các enzim mất hoạt tính, cản trở quá trình tổng hợp protein của cơ thể. Cơ thể bị nhiễm niken chủ yếu qua đường
hô hấp, gây các triệu chứng khó chịu, buồn nôn, đau đầu, nếu tiếp xúc nhiều sẽ ảnh hưởng đến phổi, hệ thần kinh trung ương, gan, thận và có thể sẽ gây ra các chứng bệnh kinh niên. Nếu da tiếp xúc lâu dài với niken sẽ gây ra hiện tượng viêm da, xuất hiện dị ứng ở một số người.
b. Đồng
Nguyên tố đồng kí hiệu là Cu, có số hiệu nguyên tử là 29, thuộc nhóm VIIIB trong bảng hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hóa học, với khối lượng nguyên tử là 63,54 là một kim loại có màu đỏ cam, có độ dẫn điện và độ dẫn nhiệt cao. Đồng là kim loại được con người sử dụng sớm nhất do các đồ đồng có niên đại khoảng năm 8700 trước công nguyên (TCN) đã được tìm thấy. Ngoài việc tìm thấy đồng trong các loại quặng khác nhau, người ta còn tìm thấy đồng ở dạng kim loại (đồng tự nhiên) ở một số nơi.
Ngày nay, các công trình nghiên cứu cho rằng đồng là một nguyên tố vi lượng cần thiết đối với động vật và thực vật. Với thực vật, nếu thiếu đồng, hàm lượng diệp lục tố ít đi, lá bị vàng úa, cây ngừng ra quả
và có thể bị chết. Ở cơ thể người và động vật khi thiếu đồng, hoạt tính của hệ men giảm đi, quá trình trao đổi protein bị chậm lại, do đó làm các mô xương chậm phát triển, thiếu máu, suy nhược… Tuy nhiên, ở cơ thể
người, thừa đồng cũng rất nguy hiểm vì mọi hợp chất của đồng là những chất độc, 30g sulfat đồng có khả năng gây chết người. Đồng trong nước với nồng độ lớn hơn 1 mg/lít có thể tạo vết bẩn trên quần áo hay các đồ vật được giặt giũ trong nước đó. Nồng độ an toàn của đồng trong nước uống đối với con người dao động theo từng nguồn, nhưng có xu hướng nằm trong khoảng 1,5 - 2 mg/lít. Năm 1982, JECFA (Ủy ban chuyên viên FAO/WHO về phụ gia thực phẩm) đã đề nghị giá trị tạm thời cho lượng đồng đưa vào cơ thể người có thể chịu đựng được là 0,5 mg/kg thể trọng/ngày.
CHƯƠNG 2
NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. NGUYÊN LIỆU, HOÁ CHẤT VÀ DỤNG CỤ 2.1.1. Nguyên liệu
Vỏ tôm phế liệu (chủ yếu vỏ tôm thẻ chân trắng) được cung cấp bởi Công ty xuất nhập khẩu thủy hải sản Thọ Quang, quận Sơn Trà, TP. Đà Nẵng.
Hình 2.1. Vỏ tôm
2.1.2. Hóa chất
- Dung dịch: HCl, C2H5OH, CH3COOH, CH3COCH3… - Than hoạt tính, Ni(NO3)2.6H2O, CuSO4.5H2O, NaOH rắn
Tất cả các hoá chất trên đều có xuất xứ Trung Quốc và đạt mức độ tinh khiết tiêu chuẩn.
2.1.3. Dụng cụ và các thiết bị chính
- Máy đo pH - Bếp cách thuỷ
- Máy khuấy từ - Máy chụp SEM
- Tủ sấy - Máy đo phổ hồng ngoại (IR) - Cân phân tích
- Một số dụng cụ khác như: Cốc (250ml, 500ml, 1000ml), phểu lọc, pipet, buret, đũa thủy tinh, giấy lọc, chén nung, bình định mức (250ml và 500ml), bình tam giác, cối, chày…
2.2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU [1], [5], [8], [10], [11]
2.2.1. Xác định quy trình tách chitin và điều chế chitosan
a. Xác định quy trình tách chitin từ vỏ tôm [1], [5], [8]
Chitin trong tự nhiên thường không tồn tại ở dạng tự do mà kết hợp với những chất khác như protein, khoáng chất, lipit, màu… Do đó, cần phải dùng những tác nhân mạnh để tách các chất này ra khỏi chitin.
Như vậy, nguyên tắc chung để điều chế chitin là loại bỏ muối khoáng (chủ yếu là muối cacbonat), protein và chất màu, phần còn lại là chitin. Hai bước loại khoáng và loại protein có thể hoán đổi cho nhau tùy phương pháp nghiên cứu.
Qua tham khảo một số tài liệu, chúng tôi chọn quy trình tách chitin từ vỏ
tôm như hình 2.2 sau:
- Xử lý nguyên liệu: Vỏ tôm rửa sạch, phơi khô, nghiền nhỏ, bảo quản ở
nơi khô ráo.
- Loại protein: Rất nhiều tác nhân đã được sử dụng để loại protein như
NaOH, NaHCO3, KOH, K2CO3,… Tác nhân ưa chuộng nhiều nhất là NaOH do tính phổ biến và hiệu quả loại protein của nó. Hình 2.2. Quy trình tách chitin (Loại khoáng) (Loại protein) Vỏ tôm Sản phẩm sau khi loại bỏ protein dd NaOH 5% ( 3-5giờ ở 80-1000C)
rửa bằng nước đến pH= 7, sấy khô
dd HCl 10-12%, ngâm ở nhiệt độ phòng trong 12 giờ, rửa bằng nước cất đến pH=7
Ngoài phản ứng thủy phân protein, dưới tác dụng của NaOH, còn có phản ứng thuỷ phân lipit tạo xà phòng. Xà phòng tạo thành có tác dụng tẩy rửa và hấp thụ các chất màu trong nguyên liệu.
- Loại khoáng: Trong vỏ tôm, thành phần khoáng chủ yếu là muối CaCO3 và rất ít Ca3(PO4)2. Để loại khoáng, các nhà nghiên cứu đã sử dụng rất nhiều tác nhân như HCl, H2SO4, HNO3, CH3COOH,… để khử khoáng. Nhưng HCl được sử dụng nhiều nhất do loại khoáng gần như triệt để và không gây phản ứng phụ đáng kể. Nếu dùng H2SO4 sẽ tạo muối khó tan khi lưu chuyển nước ngâm chậm. Phản ứng của HCl để khử khoáng canxi photphat và canxi cacbonat như sau:
CaCO3 + 2HCl à CaCl2 + CO2↑ + H2O Ca3(PO4)2 + 6HCl à 3CaCl2 + 2H3PO4.
Trong quá trình rửa thì muối CaCl2 tạo thành được rửa trôi, nồng độ HCl có ảnh hưởng lớn đến chất lượng của chitosan thành phẩm, đồng thời nó ảnh hưởng lớn tới thời gian và hiệu quả khử khoáng. Nồng độ HCl cao sẽ rút ngắn
được thời gian khử khoáng nhưng độ nhớt chitin – chitosan giảm, nó sẽ làm cắt mạch polysaccarit (mạch này bị phân huỷ thuỷ phân) dẫn đến chất lượng của chitin – chitosan sau này bị giảm. Ngược lại nếu nồng độ HCl thấp thì thời gian khử khoáng sẽ tăng nhưng ít bịảnh hưởng, song nếu như nồng độ HCl quá thấp thì khử khoáng sẽ không triệt để và thời gian xử lý kéo dài ảnh hưởng tới chất lượng của chitin – chitosan, đồng thời phải kéo dài chu kỳ sản xuất.
Nhiệt độ cũng ảnh hưởng đến tốc độ khử khoáng. Nhiệt độ càng cao thì rút ngắn thời gian khử khoáng.
Tỷ lệ nguyên liệu và dung dịch HCl (%) cũng ảnh hưởng tới hiệu quả
khử khoáng. Nếu tỷ lệ này cao thì hiệu quả khử khoáng thấp do không đủ
lượng HCl cần để phản ứng hết lượng khoáng có trong nguyên liệu. Nếu tỷ lệ
này nhỏ có nghĩa là lượng dung dịch HCl sử dụng cao khả năng cắt mạch polime lớn làm giảm chất lượng chitosan sau này.
b. Quy trình điều chế chitosan [1], [4], [8]
Có thể dùng các tác nhân hóa học là NaOH đậm đặc hoặc tác nhân sinh học là enzim deaxetylaza vi khuẩn để khử gốc axetyl của chitin để tạo thành chitosan.
Phương pháp hóa học: dùng NaOH đậm đặc (35 - 50%) để deaxetyl hoá. Chitin Chitosan O O H H O CH2OH H OH H O H NHCOCH3 CH2OH H OH H H NHCOCH3 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 n O O H H O CH2OH H OH H O H NH2 CH2OH H OH H H NH2 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 n (Chitin) (Chitosan)
Qua nghiên cứu tài liệu, trong luận văn này chúng tôi chọn quy trình chuyển hoá chitin thành chitosan được thực hiện theo hình 2.3 như sau:
Hình 2.3. Quy trình điều chế chitosan
Deaxetyl hóa chuyển chitin thành chitosan: Cân chính xác a gam chitin
điều chế ra được ở trên cho vào bình có nắp đậy kín, sau đó cho dung dịch NaOH 30% - 50% vào đến ngập, đậy kín, đun sôi hỗn hợp ở nhiệt độ 70 - 100oC trong 7 -10 giờ. Sau đó lấy ra để nguội, lọc, rửa bằng nước cất nhiều lần cho đến khi nước rửa ở môi trường trung tính, sấy khô sản phẩm thu được chitosan thô. Chitin Xác định thời gian tối ưu Xác định nhiệt độ đun tối ưu Xác định nồng độ NaOH tối Chitosan thô Kết tủa Chitosan Lọc và rửa bằng CH3COCH3, Keo đặc trắng đục Keo đặc vàng nhạt
Hòa tan trong CH3COOH 1% khuấy
Thêm NaOH 10%, khuấy 10
Ngâm C2H5OH (50o- 60oC)
Hiệu suất của quá trình deaxetyl hóa được tính bằng công thức H(%) = 1 ´100% o m m (2.1) Trong đó: H: Hiệu suất của quá trình (%) mo: Khối lượng chitin ban đầu (g) m1: Khối lượng chitosan thu được (g)
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)