Trên phổ H-H COSY mối tƣơng quan giữa proton GalA-H1 5,463 ppm với GalA-H2 4,19 ppm đƣợc thể hiện rất rõ thông qua peak đƣờng chéo. Tƣơng tác giữa GalA-H2 với proton có độ dịch chuyển hóa học 4,301 ppm chính là tƣơng tác giữa GalA-H2 và GalA-H3. Từ GalA-H3 thông qua peak đƣờng chéo, độ chuyển dịch của GalA-H4 là 4,794 ppm. Từ phổ COSY đƣa ra số liệu tƣơng quan dẫn ra trên bảng 3.5
Bảng h3.5: Tƣơng quan rút ra từ phổ COSY
Pic đƣờng chéo Tọa độ (ppm)
GalA-H1/ GalA-H2 5,463/4,19
GalA-H2/ GalA-H3 4,19/4,41
GalA-H3/ GalA-H4 4,41/4,794
Theo số liệu phổ thu đƣợc từ phổ cộng hƣởng từ hạt nhân (NMR) có thể thấy pectin chiết từ cỏ biển E. acoroides có cấu trúc phức tạp, trong đó sự lặp lại của các gốc đƣờng dƣờng nhƣ khơng theo quy luật, chính vì vậy mà trên phổ NMR chỉ thấy xuất hiện các tín hiệu liên quan đến gốc Galacturonat là monomer tạo thành mạch chính của pectin và một vài tín hiệu đƣợc gán cho sự có mặt của gốc đƣờng L-rhamnose. Độ chuyển dịch hóa học về trƣờng thấp của các tín hiệu proton tại vị trí GalA-H2, GalA-H4 đƣợc giải thích bởi sự hình thành liên kết glycoside tại 02 vị trí này. Đó là liên kết 1-4 trong mạch chính và liên kết mạch nhánh (1-2). Từ kết quả phân tích thành phần hóa học, phân tích phổ NMR có thể cho rằng pecin chiết từ cỏ biển E. acoroides là
dạng cấu trúc rhamnogalacturonan. Trong đó mạch chính là sự ln phiên của các gốc Galacturonat liên kết với nhau thơng qua liên kết 1-4 và có mạch với gốc rhamnose bằng liên kết (1-2).
3.2.2. Nghiên cứu khả năng hấp phụ kim loại của Pectin
3.1.3.1. Ảnh hưởng của pH
Độ pH của dung dịch pectin có tầm quan trọng lớn trong việc xác định khả năng liên kết cation hóa trị hai của pectin. Cần có độ pH cao hơn ít nhất một đơn vị log trên pKa của pectin (2,8 đến 4,1) để đảm bảo hơn 50% nhóm cacboxyl phân ly và do đó, mật độ điện tích pectin đủ để hình thành các liên
kết chéo ion [99]. Độ pH thấp hơn giá trị này sẽ dẫn đến sự proton hóa các gốc galacturonic axit khơng methyl hóa, dẫn đến giảm khả năng liên kết. Theo Khotimchenko và cộng sự [100] tại các giá trị pH thấp hơn 2, pectin thƣờng kết tủa, do đó làm giảm khả năng liên kết. Tại các giá trị pH cao hơn 8, các polysaccharide nhƣ pectin trở nên khơng ổn định [ví dụ, do q trình khử phân giải [101], giải thích khả năng liên kết giảm. Ngoài ra, ở các giá trị pH rất cao (∼12) các hydroxit của cation có thể đƣợc hình thành, chẳng hạn nhƣ Zn(OH)42−. Các hydrocomplexes này đƣợc đặc trƣng bởi bán kính ngậm nƣớc lớn hơn và khó phân ly hơn, dẫn đến tƣơng tác hạn chế với pectin [100]. Từ những nghiên cứu trên trong phạm vi của đề tài chỉ khảo sát môi trƣờng pH 2,0-8,0.
Bảng i3.6: Ảnh hƣởng pH đến khả năng liên kết của ion Pb2+ với pectin (Q) pH Mẫu Pectin tự nhiên
(DE 62,0 %) Pectin (DE 42,0 %) Pectin (DE 21,0 %)
2 0,00 72,45 103,50 3 93,15 103,50 139,73 4 119,03 129,38 161,46 5 124,20 138,69 175,95 6 119,03 149,04 179,06 7 124,20 134,55 186,30 8 103,50 132,48 165,60 9 51,75 62,10 82,80 Đơn vị tính Q=mg/g pectin
Kết quả trong bảng 3.6 cho thấy:
Đối với mẫu pectin tự nhiên khả năng liên kết của ion Pb2+
với pectin (Q) tăng nhanh ở pH 2-4 cao nhất và thay đổi không đáng kể ở pH 4-7 giảm dần ở pH 7-9.
Đối với mẫu Pectin (DE 42 %) khả năng liên kết của ion Pb2+
với pectin (Q) tăng dần ở pH 2-6 cao nhất ở pH 6 giảm dần ở pH 6-9.
Đối với mẫu Pectin (DE 21 %) khả năng liên kết của ion Pb2+
với pectin (Q) tăng dần ở pH 2-7 cao nhất ở pH 7 giảm dần ở pH 7-9.
Hình o3.6: Ảnh hƣởng của pH đến hàm lƣợng (Q) ion Pb 2+ liên kết với pectin Bảng j3.7: Ảnh hƣởng pH đến khả năng liên kết của ion Cd2+ với pectin (Q).
pH Mẫu Pectin tự
nhiên (DE 62,0 %) Pectin (DE 42,0 %) Pectin (DE 21,0 %)
2 0,00 25,00 37,50 3 25,00 37,50 50,00 4 46,88 43,75 65,63 0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00 120.00 140.00 160.00 180.00 200.00 0 2 4 6 8 10 Q (m g /g ) pH
Ảnh hƣởng của pH đến khả năng liên kết của ion Pb2+ với pectin (Q)
5 50,00 56,25 71,88 6 50,00 65,00 72,50 7 46,25 62,50 65,63 8 41,88 50,00 50,00 9 18,75 18,75 25,00 Đơn vị tính Q = mg/g pectin Kết quả trong bảng 3.7 cho thấy:
Đối với mẫu pectin tự nhiên khả năng liên kết của ion Cd2+
với pectin (Q) tăng nhanh ở pH 2-4 cao nhất và thay đổi không đáng kể ở pH 4-7 giảm dần ở pH 7-9.
Đối với mẫu Pectin (DE 42 %) khả năng liên kết của ion Cd2+
với pectin (Q) tăng dần ở pH 2-6 cao nhất và thay đổi không đáng kể ở pH 6-7 giảm dần ở pH 7-9.
Đối với mẫu Pectin (DE 21 %) khả năng liên kết của ion Cd2+
với pectin (Q) tăng dần ở pH 2-4 cao nhất và thay đổi không đáng kể ở pH 4-7 giảm dần ở pH 7-9.
Hình p3.7: Ảnh hƣởng của pH đến hàm lƣợng (Q) ion Cd2+ liên kết với pectin. Trong nghiên cứu với các polysaccharide tự nhiên, pH dung dịch là một thơng số quan trọng vì trong thành phần của dung dịch có mặt đồng thời hợp chất pectin và ion kim loại là những chất mang điện tích và có điện thế với hợp chất pectin và ion kim loại sẽ đổi theo pH. Số vị trí liên kết hoạt động liên quan đến gốc carboxyl tự do sẽ thay đổi theo pH. Theo hình 3.6 và 3.7 cho thấy khi tăng pH của dung dịch từ 2 đến 9 thì giá trị Q tăng dần và đạt giá trị cao trong vùng pH từ 4 đến 7 và sau đó giảm dần. Tại pH nhỏ hơn 2 thuân lợi cho các proton H+
tấn cơng vào vị trí caboxyl trong phân tử pectin làm giảm hoạt động liên kết giữa carboxyl và ion kim loại, hơn nữa tại pH này dẫn đến tủa pectin dƣới dạng axit. Khi pH cao, pectin sẽ không ổn định trong môi trƣờng kiềm, pH hấp phụ tối ƣu là 5-7. Kết quả này tƣơng tự nhƣ các công bố của [102] khi nghiên cứu khả năng liên kết của pectin với một số ion kim loại hóa trị II nhƣ Ca2+
, Zn2+, Fe2+ Chúng tôi chọn pH =6 cho những nghiên cứu tiếp theo. 0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00 80.00 0 2 4 6 8 10 Q (m g/g) pH
Ảnh hƣởng của pH đến khả năng liên kết của ion Cd2+ với pectin (Q)
3.1.3.2. Ảnh hưởng của thời gian khuấy
Bảng k3.8: Ảnh hƣởng của thời gian khuấy đến khả năng liên kết của ion Pb2+ với pectin (Q). Thời gian khuấy (phút) Mẫu Pectin tự nhiên (DE 62,0 %) Pectin (DE 42,0 %) Pectin (DE 21,0 %) 5 80,73 103,60 126,79 10 86,94 116,44 137,14 20 99,36 128,86 155,77 30 106,50 145,94 172,02 40 117,99 150,02 173,88 60 124,20 155,25 181,13 80 127,31 156,29 179,06 100 126,27 156,29 181,13 120 125,24 156,29 180,09 Đơn vị tính Q= mg/g pectin Kết quả trong bảng 3.8 cho thấy:
Đối với tất các mẫu pectin nghiên cứu khả năng liên kết của ion Pb2+
với pectin (Q) là tƣơng đồng, tăng dần ở thời gian khuấy 5-60 phút cao nhất và thay đổi không đáng kể ở thời gian khuấy ≥ 60 phút.
Bảng l3.9: Ảnh hƣởng của thời gian khuấy đến đến khả năng liên kết của ion Cd2+ với pectin (Q).
Thời gian khuấy (phút)
Mẫu Pectin tự nhiên (DE 62,0 %) Pectin (DE 42,0 %) Pectin (DE 21,0 %) 5 32,50 45,63 47,81 10 35,63 52,81 57,00 20 38,75 54,44 62,31 30 45,00 60,00 66,88 40 48,13 63,13 70,00 60 50,00 65,63 72,50 80 50,63 65,63 72,50 100 50,63 66,88 73,13 120 50,00 65,63 72,50 Đơn vị tính Q = mg/g pectin Kết quả trong bảng 3.9 cho thấy:
Đối với tất các mẫu pectin nghiên cứu khả năng liên kết của ion Cd2+
với pectin (Q) là tƣơng đồng, tăng dần ở thời gian khuấy 5-60 phút cao nhất và thay đổi không đáng kể ở thời gian khuấy ≥ 60 phút.
Hình 3.8 và 3.9 cho thấy ảnh hƣởng của thời gian khuấy đến sự hấp phụ các ion kim loại Cd2+ và Pb2+ của pectin. Khoảng thời gian cần thiết để đạt đƣợc cân bằng giữa ion kim loại và pectin là khi nồng độ ion kim loại không thay đổi theo thời gian. Trên cơ sở này, chúng tôi khảo sát hàm lƣợng ion kim loại đƣợc hấp phụ pectin theo thời gian và giữ nguyên khối lƣợng pectin không đổi. Theo thời gian hàm lƣợng ion kim loại Cd và Pb đƣợc hấp
phụ tăng nhanh trong 40 phút đầu và sau đó tăng chậm đến 60 phút thì hàm lƣợng hấp phụ của cả 02 kim loại hầu nhƣ không thay đổi cho đến hết thời gian khảo sát là 120 phút. Nhƣ vậy thời gian để đạt cân bằng của sự hấp phụ ion kim loại Cd và Pb với pectin là 60 phút.
Hình q3.8: Ảnh hƣởng của thời gian khuấy đến hàm lƣợng (Q) ion Pb2+
liên kết với pectin.
Hình r3.9: Ảnh hƣởng của thời gian khuấy đến hàm lƣợng (Q) ion Cd2+ liên kết với pectin. 0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00 120.00 140.00 160.00 180.00 200.00 0 20 40 60 80 100 120 140 Q (m g/g)
Thời gian khuấy (phút)
Mẫu Pectin tự nhiên Pectin (DE 42 %) Pectin (DE 21,0 %)
0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00 80.00 0 20 40 60 80 100 120 140 Q (m g/ g)
Thời gian khuấy (phút)
3.1.3.3. Ảnh hưởng của tốc độ lắc
Sau khi chọn đƣợc điều kiện hấp phụ tối ƣu là pH=6 và thời gian đạt đƣợc cân bằng hấp phụ là 60 phút. Chúng tôi tiếp tục nghiên cứu ảnh hƣởng của tốc độ lắc đến hàm lƣợng ion Pb2+ và Cd2+ liên kết với pectin tại điều kiện tối ƣu, kết quả dẫn ra trên bảng 3.10
Bảng m3.10: Ảnh hƣởng tốc độ lắc đến hàm lƣợng ion Pb2+
liên kết với pectin (Q).
Mẫu pectin Tốc độ lắc vòng/phút
50 100 150 200 250
Pectin tự nhiên 120,5 118,6 123,0 119,03 121,7
Pectin DE 42,0% 150,6 149,7 155,2 149,04 153,2
Pectin DE 21,0% 178,9 183,5 182,9 179,06 184,9
Từ số liệu bảng 3.10 cho thấy tốc độ lắc không ảnh hƣởng đến hàm lƣợng ion Pb2+ liên kết với pectin.
3.1.3.4. Ảnh hưởng của mức độ ester hóa (DE)
Trong số nhiều đặc tính cấu trúc của pectin, thì mức độ DE đƣợc quan tâm nhiều nhất vì nó đƣợc coi nhƣ là yếu tố chính ảnh hƣởng đến khả năng liên kết cation của pectin. Thông số này đã đƣợc sử dụng để phân loại pectin theo khả năng liên kết với cation của chúng. Với DE > 50 % đƣợc gọi là HM và DE < 50 % là LM [103]. Trong nghiên cứu này chúng tôi sử dụng 03 loại pectin có DE khác nhau bao gồm Pectin tự nhiên có DE 62,0 %, pectin DE 42,0 và pectin DE 21,0 % để so sánh khả năng tạo liên kết của chúng với 02 ion hóa trị II là Pb2+
và Cd2+ trong cùng điều kiện pH. Kết quả trên hình 3.10 và 3.11
Hình s3.10: Ảnh hƣởng của mức độ ester hóa (DE) đến hàm lƣợng ion Pb2+ liên kết với pectin tại các giá trị pH khác nhau.
Hình t3.11: Ảnh hƣởng của mức độ ester hóa (DE) đến hàm lƣợng ion Cd2+
liên kết với pectin tại các giá trị pH khác nhau.
Khả năng tạo liên kết giữa ion Pb2+ và ion Cd2+ và pectin tăng khi pectin có trị số DE giảm. Với ion Pb2+
với pectin tăng từ 119 mg/g đến 179,06 mg/g khi chỉ số DE giảm từ 61,0 % đến 21,0 %. Tại các giá trị pH=4 và pH=5 sự biến đổi cũng thay đổi tƣợng tự. Với ion Cd2+ tại pH=6, hàm lƣợng ion Pb2+ liên kết với pectin tăng từ 50,0 mg/g đến 72,5 mg/g khi chỉ số DE giảm từ 61,0 % đến 21,0 %. Hàm lƣợng ion kim loại liên kết với pectin thay đổi hàm lƣợng DE. Điều này đƣợc giải thích nhƣ sau: Pectin loại LM có mật độ điện tích cao hơn [139] do có nhiều hơn các nhóm cacboxyl (các nhóm cacboxyl khơng methyl hóa) hơn so với pectin loại HM, do đó khả năng liên kết cation của pectin tăng khi DE giảm.
3.1.3.5. Ảnh hưởng của nồng độ ion kim loại Pb, Cd.
Trong nghiên cứu này, chúng tôi chọn mẫu pectin chiết tự nhiên để khảo sát ảnh hƣởng của ion kim loại Pb, Cd.
Bảng n3.11: Ảnh hƣởng của nồng độ ion kim loại ban đầu (Ce) đến khả năng liên kết của kim loại Pb với pecin.
Ci (x) Ce (x) Q (mg/l) Ce/Q (y) 103,5 103,5 81,835 1,26 207 310,5 89,15 3,48 310,5 517,5 97,29 5,32 414 1035 102,43 10,10 517,5 1552,5 101,43 15,31 1035 2070 108,465 19,08 1552,5 2587,5 120,465 21,48
Hình u3.12: Sự phụ thuộc của khả năng liên kết của ion Pb với pectin vào nồng độ Pb ban đầu.
Từ kết quả trong các hình 3.11 và bảng 3.12, cho thấy trong khoảng nồng độ khảo sát, khi nồng độ ban đầu của dung dịch tăng thì dung lƣợng hấp phụ ion chì tăng lên.
Tại nồng độ ban đầu nhỏ (Ce < 1035 mg/l) , đƣờng biểu diễn sự phụ thuộc của Ce vào Q có xu hƣớng tăng nhanh, tuy nhiên khi nồng độ ban đầu lớn (Ce > 1035 mg/l) đƣờng biểu diễn này có xu hƣớng tăng chậm lại.
Bảng o3.12: Ảnh hƣởng của nồng độ ion kim loại ban đầu (Ce) đến khả năng liên kết của kim loại Cd với pecin.
Ci (x) Ce (x) Q(mg/l) Ce/Q (y) 62,50 62,50 30,88 2,02 125,00 187,50 42,25 4,44 187,50 312,50 47,31 6,61 250,00 625,00 56,63 11,04 y = 0.0084x + 1.0409 R² = 0.9889 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Ce /Q Ce
312,50 937,50 53,81 17,42
625,00 1250,00 55,69 22,45
937,50 1562,50 58,31 26,80
Hình v3.13: Sự phụ thuộc của khả năng liên kết của ion Cd với pectin vào nồng độ Cd ban đầu.
Từ kết quả trong các hình 3.12 và bảng 3.13 cho thấy trong khoảng nồng độ khảo sát, khi nồng độ ban đầu của dung dịch tăng thì dung lƣợng hấp phụ ion Cd tăng lên.
Tại nồng độ ban đầu nhỏ (Ce < 625 mg/l), đƣờng biểu diễn sự phụ thuộc của Ce vào Q có xu hƣớng tăng nhanh, tuy nhiên khi nồng độ ban đầu lớn (Ce > 625 mg/l) đƣờng biểu diễn này có xu hƣớng tăng chậm lại.
Dựa vào kết quả khảo sát khả năng hấp phụ các ion kim loại nặng (Cd và Pb) theo nồng độ trên pectin, chúng tôi dựa trên mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir với các giả thuyết sau:
- Tiểu phân bị hấp phụ liên kết với bề mặt tại những trung tâm xác định.
- Mỗi trung tâm chỉ hấp phụ một tiểu phân.
y = 0.0167x + 1.1994 R² = 0.9978 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 0.00 200.00 400.00 600.00 800.00 1000.00 1200.00 1400.00 1600.00 1800.00 Ce /Q Ce
- Bề mặt chất hấp phụ là đồng nhất, nghĩa là năng lƣợng hấp phụ trên các trung tâm là nhƣ nhau và không phụ thuộc vào sự có mặt của các tiểu phân hấp phụ trên các trung tâm bên cạnh.
Phƣơng trình Langmuir đƣợc xây dựng cho hệ hấp phụ khí rắn, nhƣng cũng có thể áp dụng cho hấp phụ trong mơi trƣờng nƣớc để phân tích các số liệu thực nghiệm.
Trong pha lỏng phƣơng trình có dạng:
Trong đó: KL: hằng số (cân bằng) hấp phụ Langmuir
q: dung lƣợng hấp phụ (lƣợng chất bị hấp phụ/1 đơn vị chất hấp phụ) qmax: dung lƣợng hấp phụ tối đa của chất hấp phụ (lƣợng chất bị hấp phụ/1 đơn vị chất hấp phụ)
C: nồng độ dung dịch hấp phụ
Trên cơ sở phƣơng trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir, chúng tôi xác định tải trọng hấp phụ và các thông số khác
* Xác định tải trọng hấp phụ của Pb2+
của pectin
Khảo sát ảnh hƣởng ban đầu của chất hấp phụ lên hằng số hấp phụ Q , chúng tơi xây dựng 02 đồ thị hình 3.14 và hình 3.15
Hình w3.14: Đồ thị sự phụ thuộc của C/q vào C của ion Pb2+