Nồng độ dung dịch (wt %) Độ nhớt tương đối r Độ nhớt đặc trưng sp Độ nhớt giới hạn red Độ nhớt cố hữu inh 0 0,01 1,061 0,060 6,049 5,873 0,02 1,142 0,142 7,105 6,643 0,04 1,340 0,340 8,501 7,317 0,06 1,636 0,636 10,597 8,202 0,08 2,165 1,165 11,652 7,725
Chitosan chuẩn bị được trong nghiên cứu này được hịa tan thành các dung dịch có nồng độ từ 0,01 đến 0,08 % trọng lượng và thời gian chảy của các dung dịch chitosan trong nhớt kế Ubbelodhe được trình bày trên bảng 3. Từ thời gian chảy
trung bình của dung dịch chitosan, các giá trị độ nhớt của chúng cũng được tính và kết quả trình bày trên bảng 4
Hình 12. Đồ thị phụ thuộc của độ nhớt giới hạn và độ nhớt cố hữu của dung dịch
chitosan theo nồng độ, được sử dụng để tính giá trị độ nhớt thực và qua đó xác định trọng lượng phân tử trung bình nhớt của chitosan thu được.
Độ nhớt thực của chitosan được xác định bằng phương pháp ngoại suy từ đồ thị phụ thuộc của độ nhớt giới hạn theo nồng độ dung dịch chitosan đến nồng độ 0 (độ nhớt dung dịch có nồng độ vơ cùng nhỏ gần bằng 0). Để tăng tính chính xác của phép ngoại suy, chúng tôi đã sử dụng cả độ nhớt giới hạn và độ nhớt cố hữu để ngoại suy và độ nhớt thực được xác định [ ] = 5.6672 dL/g là trung bình cộng của hai giá trị này như có thể quan sát trên hình 12.
Khối lượng phân tử trung bình nhớt của chitosan được tính theo phương trình 2.6 của Mark-Houwink-Sarada, và giá trị này là: ̅ = 345.584 Da. Như vậy, chitosan điều chế được trong nghiên cứu này có độ kết dính cao và khối lượng phân tử tương đối lớn. Sản phẩm này có thể được sử dụng làm màng bao trong bảo quản thực phẩm [37], vật liệu hấp phụ làm sạch môi trường hoặc các ứng dụng khác [20].
1.3 Độ deacetyl hóa của sản phẩm chitosan
Có nhiều cách để xác định độ deacetyl hóa của chitosan như chuẩn độ, phân tích phổ tử ngoại vi phân bậc nhất, phổ hồng ngoại, cộng hưởng từ hạt nhân…
y = 81,293x + 5,3663 0 2 4 6 8 10 12 14 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 Series1 Series2 Linear (Series1) Linear (Series2)
Trong đó, phương pháp phân tích phổ hồng ngoại là kỹ thuật khá đơn giản. Nguyên lý chung của phương pháp này dựa trên sự khác biệt về diện tích các phần phổ tạo được từ các nhóm chức đặc trưng trong phân tử chitosan. Trong nghiên cứu này, mẫu chitosan được nghiền thật mịn với KBr thành dạng màng mỏng và phổ FT-IR
của nó được ghi lại bằng thiết bị phổ hồng ngoại Perkin Elmer. Hình 13 trình bày phổ FT-IR của mẫu chitosan mà chúng tôi điều chế được.
Như có thể thấy trên hình 13, phổ hồng ngoại của sản phẩm chitosan điển hình thể hiện đầy đủ các đỉnh phổ đặc trưng cho các nhóm chức chính gồm hydroxyl, acetyl, amin… như được chỉ ra trong hẫu hết các nghiên cứu [15]. Dựa vào diện tích các đỉnh phổ tại 3400 và 1621 cm-1 đại diện cho nhóm hydroxyl và acetyl của chitosan, có thể tính được độ DA của chitosan là 72,79% theo phương trình 2.8. Kết quả này cũng tương tự với kết quả đạt được trước đây của Lê Thị Hải Yến [4]. Như vậy, sản phẩm chitosan thu được có mức DD khoảng 70% phù hợp với mục đích ứng dụng làm vật liệu hấp phụ chất màu.
2. TẠO HẠT CHITOSAN KHÂU MẠCH ION
2.1 Ảnh hƣởng của hàm lƣợng chitosan đến khả năng tạo hạt
Các ion dương NH3+ trong phân tử chitosan có thể liên kết với các nhóm tích điện âm trong dung dịch kiềm để tạo thành cấu trúc khâu mạch trong cùng một mạch phân tử hay giữa các phân tử chitosan. Phụ thuộc vào hàm lượng chitosan trong dung dịch, nồng độ chất khâu mạch ion, pH dung dịch và thời gian khâu mạch, các hạt chitosan có hình dáng và kích thước khác nhau có thể được tạo ra. Các dung dịch chitosan khác nhau đã được nhỏ giọt vào dung dịch sTPP 2% ở pH 8.5 trên máy khuấy từ đang khuấy với tốc độ 100 vòng phút, để tạo hạt trong thời gian 4 giờ. Hạt chitosan hình thành được lọc, rửa sạch, để khơ tự nhiên và hình dạng bên ngồi của các loại hạt chitosan khác nhau được thể hiện trên hình 14.
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 khá đồng nhất đạt được từ dung dịch F3, trong khi các hạt tạo được từ cơng thức chitosan có hàm lượng thấp (F1 và F2) có kích thước tương đối lớn và khơng bền. Điều này có thể là do tỷ lệ thấp của chitosan so với chất khâu mạch ion đã làm tăng số điểm khâu mạch. Hơn nữa, khâu mạch trong cùng một phân tử chitosan cũng có thể xảy ra trong dung
Hình 14. Hình thái hạt chitosan khâu mạch ion tạo được trong dung dịch sTPP từ
dịch lỗng, kết quả hình thành các hạt có cấu trúc khơng 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 dung dịch chitosan, độ nhớt dung dịch sẽ trở nên lớn hơn dẫn đến hình thành hạt có hình dạng thn dài và có thể có đi (F4 và F5). Điều này có thể là do phần dung dịch chitosan tiếp xúc với sTPP ban đầu đã hình thành cấu trúc khâu mạch ion nhanh hơn phần sau nên hạt khơng giữ được hình cầu đồng nhất. Từ kết quả này, chúng tôi đã lựa chọn chitosan 2% làm dung dịch chuẩn để tạo hạt chitsosan.
2.2 Ảnh hƣởng của nồng độ chất khâu mạch ion sTPP đến hình dáng và kích thƣớc hạt
Trong môi trường dung dịch, do bản chất phân ly, các phân tử sTPP thủy phân và giải phóng các ion hydroxyl OH. Do đó, trong dung dịch sTPP đồng thời tồn tại cả ion OH và ion P3O5 có thể cạnh tranh phản ứng với nhóm NH3+ của chitosan. Là tác nhân khâu mạch ion,
sTPP có thể là cầu nối liên kết với các cation NH3+ của phân tử chitosan, tạo thành cấu trúc hạt cườm khâu mạch ion. Như có thể thấy trên hình 15, trong mơi trường có nước, chitosan có thể mất proton tại vị trí cation NH3+ cũng như liên kết ion với sTPP thành cấu trúc không gian, nghĩa là nếu nồng độ sTPP quá thấp, các nhóm hydroxyl sẽ cạnh tranh với sTPP để khử
proton hóa chitosan ngăn cản việc khâu mạch ion. Kết quả là hạt tạo được có kích thước lớn và khơng bền, trương nước cao ảnh hưởng đến khả năng ứng dụng chúng. Hơn nữa, vì mỗi phân tử sTPP có thể liên kết với 2 nhóm amin của các phân tử
Hình 15. Cơ chế tương tác giữa chitosan với
chitosan khác nhau hoặc trên chính một phân tử chitosan, nên cấu trúc khâu mạch ion không thật bền ảnh hưởng tới hiệu quả hấp phụ của các nhóm chức cũng như khả năng giải hấp.
Đánh giá ảnh hưởng của nồng độ sTPP lên hình dáng và kích thước hạt chitosan, dung dịch chitosan 2% đã được nhỏ giọt với cùng tốc độ vào các dung dịch sTPP có nồng độ từ 1-5 % trên máy khuấy từ và kích thước hạt tạo thành được xác định sau khi đã làm khô bằng cách đo trực tiếp mẫu đại diện. Đường kính hạt tạo được chính là giá trị trung bình của đường kính hạt đo được bằng thước kẹp. Bảng 5 chỉ ra sự phụ thuộc kích thước hạt theo nồng độ chất khâu mạch và thời gian tạo hạt.
Bảng 5. Kích thước hạt chitosan khâu mạch ion theo hàm lượng chất khâu mạch
Có thể thấy rằng kích thước hạt giảm xuống khi nồng độ sTPP tăng lên. Khi hàm lượng chất khâu mạch quá thấp, số lượng điểm khâu mạch thấp làm cho cấu trúc khâu mạch lỏng lẻo với nhiều điểm rỗng trong hạt. Việc tăng hàm lượng chất khâu mạch làm tăng sự có mặt của các ion trái dấu sTPP trong quá trình tạo hạt, hình thành cấu trúc mạng
chặt chẽ hơn với nhiều điểm khâu mạch hơn 41. Q trình tạo gel
Cơng thức mẫu Nồng độ sTPP (%) Thời gian khâu mạch (giờ) Đƣờng kính trung bình hạt tạo đƣợc (mm) C1 1 4 2,1921 0,0052 C2 2 4 2,1614 0,0036 C3 3 4 2,1568 0,0027 C4 4 4 2,1523 0,0034 C5 5 4 2,1455 0,0039 C6 5 6 2,1454 0,0042 C7 5 12 2,1328 0,0036
tiếp theo của chitosan theo thời gian cũng làm giảm kích thước hạt.
Kết quả bảng 5 cho thấy kích thước hạt tạo thành trong dung dịch sTPP có nồng độ trên 2% thay đổi khơng đáng kể, vì vậy dung dịch sTPP 2% và thời gian khâu mạch 4 giờ đã được chọn để tạo hạt chitosan khâu mạch cho các nghiên cứu tiếp theo. Hình ảnh hạt chitosan khơ được trình bày trên hình 16. Có thể thấy hạt khâu mạch ion khơng thật trịn đều, phản ánh tính bền cơ học và hóa học khơng cao.
3. TẠO HẠT CHITOSAN KHÂU MẠCH BỀN BẰNG XỬ LÝ CHIẾU XẠ CHIẾU XẠ
3.1 Ảnh hƣởng của TAIC đến hạt chitosan khâu mạch
Một số kỹ thuật khác nhau như chiếu xạ, xử lý hóa chất đã được ứng dụng nhằm nâng cao tính bền của vật liệu polyme.
Bảng 6. Ảnh hưởng của chất khâu mạch đến hình dạng bên ngồi hạt chitosan
Cơng thức Nồng độ TAIC (%) Màu sắc trước chiếu xạ Hình dạng hạt ẩm Hình dạng hạt khơ
X1 0 trắng hơi vàng cầu đồng nhất cầu đồng nhất
X2 0,5 trắng trong hình cầu cầu khơng đồng
nhất, có đi
X3 1,0 trắng trong cầu dính kết cầu khơng đồng
nhất, có đi
X4 1,5 trắng trong cầu cứng cầu đồng nhất,
cứng đều
X5 2,0 trắng trong cầu đàn hồi cầu khơng đồng
nhất, dính kết
X6 2,5 trắng trong cầu đàn hồi biến dạng thành
gel dính kết
X7 5,0 trắng trong cầu đàn hồi biến dạng thành
gel dính kết Đối với hạt chitosan, Chious và cộng sự đã sử dụng một số chất khâu mạch hóa học, đặc biệt là epichlohydrin để nâng cao mức độ khâu mạch cũng như tính bền
của hạt chitosan khâu mạch ion [12]. Tuy nhiên, đây là một chất khâu mạch có độc tính cao, có thể ảnh hưởng xấu đến đời sống thủy sinh khi đi vào nước thải.
Gần đây, khâu mạch bức xạ đã được xem như một kỹ thuật hiện đại, thân thiện môi trường đã được áp dụng để nâng cao tính bền cơ nhiệt của một số vật liệu polyme. Các nhà khoa học cũng chỉ ra khả năng gia tăng hiệu ứng khâu mạch của một số tác nhân khâu mạch như triallyl isocyanurate (TAIC) đối với các polyolefin, poly(lactic acid)… [22]. Chúng tôi cho rằng việc bổ sung TAIC với hàm lượng thích hợp sẽ làm tăng mức độ khâu mạch của chitosan khi chiếu xạ do các gốc tự do hình thành sẽ dễ dàng liên kết với các nhóm chức chitosan. Hơn nữa, do cấu trúc gồm 3 liên kết đôi rất dễ chuyển thành gốc tự do khi chiếu xạ của TAIC so với 2 vị trí liên kết trong sTPP nên hạt chitosan khâu mạch bức xạ hình thành sẽ có tính bền tốt hơn hạt chitosan khâu mạch ion.
Có thể thấy rằng việc bổ sung chất khâu mạch đã thay đổi ít nhiều màu sắc hạt chitosan từ trắng hơi vàng sang trắng trong. Các hạt vẫn giữ được hình trịn ổn định, song khi hàm lượng TAIC vượt quá 2 %, hạt sẽ bị biến dạng trong quá trình sấy chân không. Ảnh hưởng của hàm lượng chất khâu mạch TAIC đến màu sắc và hình dạng của hạt trước và sau sấy được thể hiện trên bảng 6. Từ kết quả bảng 6, công thức hạt X4 chứa 1,5% TAIC có dạng hình cầu đồng nhất, đã được lựa chọn để tạo hạt khâu mạch bức xạ.
3.2 Ảnh hƣởng của liều chiếu xạ tới hạt chitosan khâu mạch
Như có thể quan sát thấy trên hình 17, chiếu xạ đã làm cho các hạt chitosan bị vàng màu, liều chiếu càng cao màu hạt càng đậm: màu đậm dần nhận thấy rõ từ 0 đến 20, 40 và đặc biệt là 60 kGy. Điều này có thể là do các tạp chất có khả năng bắt màu vẫn cịn tồn
Hình 17. Các hạt chitosan khâu mạch bức xạ
tại trong nguyên liệu ban đầu. Hoặc cũng có thể liều chiếu cao đã gây ra những thay đổi nhất định trong cấu trúc phân tử chitosan. Giống như trường hợp chiếu xạ một
số sản phẩm nhựa, liều chiếu cao đã làm vật liệu bị chuyển sang màu vàng.
Nghiên cứu sâu hơn về ảnh hưởng của xử lý chiếu xạ đến cấu trúc hiển vi của các hạt tạo được cho thấy có sự khác biệt giữa hạt chitosan khâu mạch đạt được ở liều chiếu khác nhau, cũng như với hạt chitosan khâu mạch ion. Như có thể quan sát trên
b2)
Hình 18. Ảnh hiển vi điện tử quét của a) hạt chitosan khâu mạch ion, b) hạt
khâu mạch bức xạ ở 20 kGy và c) 40 kGy: tại các độ phóng đại khác nhau
b1 b2
c1 c2
hình 18, ảnh hiển vi điện tử quét bề mặt (SEM) của hạt chitosan khâu mạch thể hiện cấu trúc sần sùi ở độ phóng đại thấp và có nhiều nếp cuộn đồng nhất hơn ở độ phóng đại cao. Rõ ràng là đã có sự thay đổi đáng kể trên bề mặt hạt, sự gia tăng các nếp cuộn gấp nghĩa là tăng diện tích bề mặt đạt được sau quá trình chiếu xạ. Kết quả này cho phép dự đoán khả năng hấp phụ của hạt chitosan khâu mạch bức xạ sẽ được cải thiện so với hạt chitosan khâu mạch ion thông thường.
3.3 Đặc trƣng của hạt chitosan khâu mạch bức xạ
Đối với nhiều loại polyme, chiếu xạ có thể đồng thời gây ra các hiệu ứng khâu mạch và cắt mạch phân tử. Mặc dù có bản chất “hướng phân hủy", việc bổ sung các chất khâu mạch đã giúp làm tăng hiệu ứng khâu mạch của chitosan. Các gốc tự do rất linh động hình thành do sự bẻ gãy các liên kết đôi trong phân tử chất khâu mạch TAIC có thể dễ dàng liên kết các
nhóm chức bị kích thích của chitosan trong q trình chiếu xạ. Số lượng các liên kết khâu mạch này có thể tăng theo liều chiếu xạ, qua đó làm tăng tính bền cơ học cho hạt chitosan đạt được 32. Hiệu quả khâu mạch được thể hiện qua mức tạo gel không tan trong dung môi xác định. Độ bền của gel khâu mạch cũng có thể được đánh giá thông qua khả năng trương dung môi của vật liệu khâu mạch. Phầm trăm tạo gel và độ trương của gel khâu mạch được trình bày trên hình 19.
Kết quả cho thấy gel khơng tan đã hình thành sau quá trình khâu mạch ion của chitosan trong dung dịch chứa sTPP, mức tạo gel tăng cao và hạt chitosan khâu mạch gần như hoàn toàn đạt được đối với hạt chitosan chứa TAIC trong quá trình chiếu xạ. Trong khi, việc tăng liều chiếu xạ đã làm giảm đáng kể mức độ trương
Hình 19. Phần trăm tạo gel và độ trương nước
của hạt chitosan khâu mạch theo liều chiếu xạ ◆
nước của gel khâu mạch. Điều này có thể ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ của hạt chitosan trong môi trường chứa nước.
4. KHẢ NĂNG HẤP PHỤ CỦA HẠT CHITOSAN KHÂU MẠCH BỨC XẠ ĐỐI VỚI DRIMAREN RED CL-5B BỨC XẠ ĐỐI VỚI DRIMAREN RED CL-5B
4.1 Xây dựng đƣờng chuẩn về hàm lƣợng Drimaren Red CL-5B
Như đề cập trong phần trước, nồng độ thuốc nhuộm trong nước thải mẫu trước và sau quá trình xử lý bằng hạt chitosan khâu mạch được xác định thông qua phổ hấp thụ của dung dịch trong vùng tử ngoại – khả kiến, bởi vì hàm lượng chất nhuộm trong mẫu nước rất thấp, khó có thể xác định bằng các phương pháp khác. Vì vậy, cần xây dựng được đường chuẩn của mẫu thuốc
nhuộm để từ đó tính hàm lượng thuốc nhuộm thực có trong mẫu nước. Hình 20 chỉ ra phổ hấp thụ của các mẫu nước chứa thuốc nhuộm Drimaren Red CL-5B với hàm lượng khác nhau đo ở cùng giá trị pH = 6. Có thể thấy phổ hấp thụ cực đại đạt được ở giá trị max từ 510 đến 560 nm. Kết quả này cho phép sử dụng phổ hấp thụ tại max = 543 nm để xác định độ hấp thụ quang học của Drimaren Red CL-5B như trong nghiên cứu về thuốc nhuộm này của một số học giả nước ngoài [39]. Độ hấp thụ