Chitin-Chitosan được ứng dụng khá phổ biến trong xử lý môi trường nhờ khả năng hấp phụ, tạo phức với các ion kim loại (Pb, Hg, Cu, Cd, Ni,...), các chất màu, khả năng keo tụ, tạo bông rất tốt với các chất hữu cơ. Do đó, chitin-chitosan được sử dụng như là một trong các nhóm tác nhân chính để xử lý nước thải ( Hirano,
1996; Mattheus,1997, Synowiec và Ali-Khateeb, 2003). Một số ứng dụng qua trọng của chitin-chitosan và dẫn xuất được trình bày ở Bảng 1.4.
Bảng 1.3. Một số ứng dụng chính của chitin-chitosan và dẫn xuất trong xử lý môi trường
Ứng dụng Loại Dạng
Xử lý kim loại nặng
- Thủy ngân Chitosan Hạt
- Chì Chitosan và dẫn xuất Hạt, bột
- Cadimi Chitosan, dẫn xuất Hạt, vi hạt
- Niken Chitosan Hạt, vi hạt
- Kẽm Chitosan Hạt, vi hạt
- Đồng Chitin, chitosan, dẫn xuất Hạt, vi hạt
- Crom Chitin, chitosan Hạt, vi hạt
- Urani Chitosan, dẫn xuất chitosan
(glutamate glucan) Hạt, vi hạt - Vanadi Chitosan, dẫn xuất chitosan Hạt, vi hạt - Các kim loại khác Chitin, chitosan, dẫn xuất Hạt, vi hạt
Xử lý chất màu
- Monoazo Chitin, chitosan, dẫn xuất Hạt
- Diazo Chitin, chitosan, dẫn xuất Hạt
- Anthraquynone Chitin, chitosan, dẫn xuất Hạt - Triphenylmethane Chitin, chitosan, dẫn xuất Hạt - Hỗn hợp chất màu từ
nhà máy dệt nhuộm Chitin, chitosan Hạt
* Ứng dụng chitin – chitosan xử lý kim loại nặng trong nước thải:
Chitin đã được nghiên cứu trong việc làm chất hấp phụ, tạo phức với kim loại nặng từ thế kỷ trước. Chitin có thể tạo phức với nhiều kim loại nặng như đồng, chì, crom... Tương tự, chitosan cũng hấp phụ nhiều ion kim loại năng như đồng, chì, thủy ngân, crom... nhờ các nhóm amin của chitosan có ái lực và có thể hình thành phức với các ion kim loại nặng (Knorr, 1983; Kurita và cộng sự, 1986; Kim và cộng sự, 1997; Guibal, 2004; Varma và cộng sự, 2004). Tính chất của chitin và chitosan ảnh hưởng lớn đến khả năng tạo phức với kim loại đặc biệt là độ deacetyl (DD). Khi độ deacetyl tăng thì khả năng tạo phức với kim loại tăng lên, do đó để tăng khả năng tạo phức với kim loại nặng thì cần sử dụng loại chitin có độ deacetyl cao (chitosan). Tuy nhiên, chiosan có hạn chế là bị hòa tan trong môi trương pH thấp, vì vậy, việc lựa chọn loại chitin, chitosan đóng vai trò rất quan trọng. Ngoài ra, pH của môi trường cũng ảnh hưởng lớn đến khả năng hấp phụ kim loại nặng của chitin và chitosan. Khả năng hấp phụ Pb2+ và Cu2+ của chitosan phụ thuộc vào giá trị pH của dung dịch. Với pH của dung dịch nước thải từ 5,0-5,5 thì khả năng hấp phụ Pb2+ và Cu2+ của chitosan là tốt nhất.
Bên cạnh đó, để nâng cao hiệu quả xử lý cần có những bước xử lý chitin, chitosan để tạo ra những dẫn xuất có khả năng hấp phụ tốt hơn, ổn định hơn ở khoảng pH rộng. Chauhan và cộng sự (2008) nghiên cứu dùng chitosan được liên kết ngang kết hợp với xanthat để làm tăng khả năng hấp phụ ion chì trong nước thải có pH thấp.
Khi sử dụng chitosan để xử lý chì và đồng thì cần chú ý đến pH của nước thải vì pH có ảnh hưởng lớn đến khả năng hấp phụ chì và đồng của chitosan. Khả năng hấp phụ ion chì và đồng giảm trong điều kiện pH thấp, điều này có thể là do ion H+ cạnh tranh với ion Pb2+ và Cu2+ tại cùng vị trí liên kết trên chất hấp phụ. Khoảng pH tối ưu để loại chì là 4,0-5,0; của đồng là 5,5-6.
Khi xử lý kim loại nặng bằng chitosan thì thông thường chitosan được sử dụng ở dạng hạt, vi hạt hay ở dạng màng. Trong quá trình sử dụng chitosan thì cần phải lưu ý đến tính ổn định, tính tan của chitosan trong môi trường pH thấp. Đối với nước thải có pH thấp dưới 3,5 thì nên sử dụng chitin, hoặc chitosan đã được xử lý để có thể làm việc ổn định ở môi trường pH thấp.
Hình 1.5. Quy trình xử lý chì từ nước thải bằng chitosan của Chauhan và cộng sự (2008) Rửa và tái sử dụng Nước thải có chì (100 – 1500 mg/l) Loại chì bằng chitosan (2,5 g/l, khuấy ở 100 rpm, 4h, pH 4 -5) Lọc
Giải hấp phụ chì khỏi chitosan (0,01N HCl, 0,1N NaOH) Nước đã loại chì Chitosan hấp phụ chì Khuấy (200rpm, 2h) Lọc Thu hồi chì Thu chitosan
Hình 1.6. Quy trình xử lý đồng từ nước thải bằng chitosan
* Cơ chế hấp phụ kim loại nặng của chitosan [10]:
Quá trình hấp phụ kim loại nặng bằng chitosan xảy ra theo các bước như sau:
+ Di chuyển các ion kim loại nặng từ trong lòng dung dịch tới lớp màng. Quá trình này được thực hiện nhờ khuyếch tán đối lưu.
+ Di chuyển các ion kim loại nặng qua lớp màng (lớp màng lỏng bao quanh các hạt chitosan). Quá trình này được thực hiện nhờ khuyếch tán phân tử.
Rửa và tái sử dụng Loại đồng bằng chitosan
(2 g/l,50-100 mesh, khuấy ở 130 rpm, 4h, pH 5,5 - 6)
Lọc
Giải hấp phụ đồng khỏi chitosan
Nước đã loại đồng Chitosan hấp phụ đồng Khuấy Lọc Thu hồi đồng Thu chitosan Nước thải có đồng (10 – 100 mg/l)
+ Sự khuyếch tán các ion kim loại nặng trong các mao quản bên trong hạt hấp phụ. Ở đây có hai quá trình diễn ra đó là: quá trình khuyếch tán bề mặt, các ion kim loại nặng được khuyếch tán theo thứ tự từ tâm hấp phụ này đến tâm hấp phụ khác và quá trình khuyếch tán mao quản các ion kim loại nặng được khuyếch tán dọc theo các mao quản đến tâm hấp phụ. Tuy nhiên vì chitosan có độ xốp rất nhỏ, số lượng mao quản là không nhiều do vậy quá trình khuyếch tán ở đây chủ yếu là quá trình khuyếch tán bề mặt.
+ Quá trình hấp phụ thuần túy: xảy ra quá trình hấp phụ vật lý giữa các tâm hấp phụ với ion kim loại nặng bằng các lực liên kết tĩnh điện và liên kết vanderwaal. Nhưng quá trình hấp phụ chính ở đây là quá trình tạo phức giữa các ion kim loại nặng với các nhóm chức của chitosan. Như ta đã biết thì chitosan có rất nhiều các nhóm chức -OH và -NH2, các nhóm này có khả năng trao đổi ion H+ và hình thành phức với các ion kim loại nặng. Mối liên kết này được tạo thành từ các liên kết cộng hóa trị giữa các ion kim loại và các nguyên tử oxi hay nitơ có trong các nhóm chức của chitosan tạo thành các liên kết phối trí.
Ví dụ: phản ứng tạo phức của chitosan với các ion kim loại dưới dạng M2+ có thể được biểu diễn như sau :
Phản ứng giữa chitosan với kim loại dạng M2+ xảy ra ở môi trường trung tính, axit yếu, bởi ở môi trường trung tính, axit yếu thì khả năng nhóm H+ của nhóm OH của chitosan dễ dàng được thay thế hơn là ở môi trường axit mạnh và khả năng tham gia của nhóm NH2 cũng cao hơn. Nếu ở môi trường kiềm lúc này chỉ còn có
CH2O H OH NH2 n + M2+ N O O N M + 4H+
nhóm OH là có thể tham gia trao đổi ion H+ với kim loại nặng M2+ còn ở môi trường kiềm thì NH2 ở dạng không mang điện tích, trung tính nên không có khả năng tham gia phản ứng.
Nói tóm lại thì quá trình hấp phụ của kim loại nặng trên chitosan xảy ra theo 4 giai đoạn chính trên. Trong quá trình hấp phụ thuần tuý thì quá trình tạo phức giữa các nhóm chức của chitosan với các kim loại nặng là chủ yếu, ngoài ra còn các liên kết vật lý giữa các kim loại nặng với tâm hấp phụ là các lực liên kết tĩnh điện giữa các ion trái dấu và lực liên kết lưỡng cực vanderwaal.