Chitin tồn tại trong nguyên liệu dưới dạng liên kết protein, khoáng, nên trong quá trình sản xuất chitin cần phải khử các hợp chất phi chitin này ra khỏi chitin. Các
hợp chất phi chitin bao gồm protein, chất khoáng, chất màu, lipid và các hợp chất khác với hàm lượng biến đổi tùy theo loại nguyên liệu. Việc khử các thành phần phi chitin để sản xuất chitin từ phế liệu thủy sản có thể thực hiện bằng phương pháp hóa học, phương pháp sinh học hoặc phương pháp kết hợp hóa học với sinh học. Tuy nhiên, hiện nay các quy trình sản xuất chitin ở quy mô lớn chủ yếu sử dụng phương pháp hóa học.
Hình 1.7. Sơ đồ tổng quát quá trình sản xuất chitin - chitosan từ phế liệu thủy sản Khử protein Chitosan Khử khoáng Tẩy màu Chitin Deacetyl Phế liệu
Chương 2
NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Nguyên vật liệu – hóa chất thực nghiệm 2.1.1. Mẫu chitosan trong nghiên cứu
Mẫu chitosan sử dụng trong nghiên cứu được cung cấp bởi trường Đại học Nha Trang có màu trắng, dạng vảy. Mẫu chitosan này được chiết suất từ phế liệu thủy sản là vỏ tôm thẻ chân trắng (Penaeus vannamei) được lấy tại phân xưởng chế biến, Công ty Cổ phần Nha Trang Seafoods (F17). Nguyên liệu sau khi lấy được vận chuyển ngay bằng thùng xốp cách nhiệt về phòng thí nghiệm. Phế liệu vỏ tôm trước khi sử dụng được rửa sạch, để ráo trong thời gian 5 phút. Trong trường hợp chưa tiến hành thí nghiệm ngay thì rửa sạch bao gói bảo quản đông trong điều kiện nhiệt độ -20oC tại phòng thí nghiệm Viện Công nghệ Sinh học và Môi trường.
Để có mẫu chitosan cuối cùng sử dụng trong nghiên cứu thì từ phế liệu vỏ tôm thẻ chân trắng ta tiến hành thực hiện các quá trình khử protein bằng NaOH, khử khoáng bằng HCl, tẩy màu bằng cách rửa và phơi dưới ánh nắng mặt trời để được mẫu chitin. Sau đó, từ mẫu chitin ta tiến hành quá trình deacetyl rồi rửa và phơi một lần nữa, ta thu được mẫu chitosan cần dùng.
(a) (b)
Mẫu chitosan sử dụng trong thực nghiệm phải có dạng hạt, nên chitosan sau khi thu được đem xay nhỏ bằng máy xay IKA, sau đó sử dụng rây 60 mesh tách các phần tử chitosan có kích thước d ≤ 60 mesh (≤ 0,25 mm), phần chitosan dưới rây tiếp tục được tách các phần tử có d ≤ 120 mesh (≤ 0,125 mm) bằng rây 120 mesh.
2.1.2. Nước thải chứa kim loại nặng
Do khu vực nghiên cứu là địa phương không thuộc vùng trọng tâm của các ngành công nghiệp có nước thải chứa kim loại nặng và một số yếu tố khách quan khác nên không có điều kiện lấy mẫu cũng như trực tiếp thực hiện thí nghiệm xử lý nước thải chứa kim loại nặng. Do đó, ta chỉ lựa chọn một kim loại nặng bằng cách hòa tan muối của kim loại nặng vào trong nước cất để có ion kim loại nặng cần nghiên cứu.
* Lựa chọn kim loại nặng để xử lý trong thực nghiệm
Nước thải chứa kim loại nặng được phát sinh ra từ rất nhiều các nguồn thải khác nhau. Ở Việt Nam một trong những phát sinh nước thải chứa kim loại nặng lớn nhất là công nghệ mạ, luyện kim, thuộc da... Như ta đã biết đồng là một kim loại nặng khi tồn tại trong nước thải sẽ gây ảnh hưởng rất lớn đến môi trường và sức khỏe con người. Vì vậy, việc loại đồng ra khỏi nước là điều rất đáng được quan tâm.
Đồng trong nước thải thường tồn tại dưới các dạng: các muối Cu2+ như CuCl2, CuSO4 ... hoặc tồn tại dưới dạng các muối phức. Trong nghiên cứu này ta chọn muối CuSO4.5H2O để tiến hành thí nghiệm, hòa tan muối CuSO4.5H2O trong nước cất để được mẫu nước chứa đồng với nồng độ cần nghiên cứu. Muối Đồng Sunfat tinh thể (CuSO4.5H2O) được mua từ cừa hàng hóa chất Hoàng Trang – thành phố Nha Trang, có nguồn gốc, xuất xứ Trung Quốc, MW = 249,68.
* Lựa chọn nồng độ Cu2+ để tiến hành thực nghiệm
Việc lựa chọn nồng độ đồng trong thí nghiệm là hết sức cần thiết. Điều này rất quan trọng vì lượng đồng ta sử dụng trong thực nghiệm phải gặp nhiều nhất, hay xuất hiện trong thực tế nhất. Để từ đó có khả năng đánh giá một cách tốt nhất về
hiệu suất của phương pháp và so sánh nó với các phương pháp hiện có trong thực tế. Từ đó ta có thể đánh giá được một cách chính xác về khả năng thực tiễn của phương pháp.
Trong nước tự nhiên và nước sinh hoạt nồng độ của đồng thường không lớn, dao động trong khoảng từ 0,001 mg/l đến 1mg/l. Nhưng trong nước thải của các nhà máy, xí nghiệp có thể lên đến 100 mg/l [7].
Chúng ta có thể tham khảo nồng độ Cu2+ khác nhau trong nước thải của các nhà máy, xí nghiệp trong thực tế: nhà máy sản xuất Pb-Zn là 0,4 – 0,8 mg/l, Sn là trên dưới 0,1 mg/l, Mo-W trung bình là 27,2 mg/l, Ni-Co là 1 -1,5 mg/l [7].
Vì vậy, trong nghiên cứu này tôi chọn nồng độ Cu2+ để tiến hành thí nghiệm là 10-100 mg/l.
2.1.3. Hóa chất, dụng cụ thiết bị
Các hóa chất dùng trong thực nghiệm là: CuSO4.H2O, NaOH, HCl của Trung Quốc.
Các dụng cụ thiết bị trong thực nghiệm là:
- Bình nón 250ml, 100ml, các pipet 1ml, 2ml, 5ml, 10ml, cốc 100ml, đũa thủy tinh, giấy lọc, phễu lọc.
- Xử lý mẫu chitosan bằng máy xay IKA của Đức, rây xác định kích thước vật liệu trên bộ rây 60 mesh và 120 mesh.
- Quá trình hấp phụ được thực hiện trên máy lắc ngang NB-101MH, Hàn Quốc và máy lắc ổn nhiệt KS 4000i-IKA, Đức. Nồng độ Cu2+ được xác định trên máy so màu UV-mini 1240, Nhật Bản. pH được xác định bằng máy đo pH Oakton (phụ lục 7).
2.2. Phương pháp nghiên cứu
2.2.1. Phương pháp phân tích hóa học
* Xác định hàm lượng ẩm bằng phương pháp sấy ở nhiệt độ 105 0C
Phụ lục 1
* Xác định hàm lượng tro bằng phương pháp nung ở nhiệt độ 550 0C
Phụ lục 1
* Xác định độ deacetyl của chitosan [11], [22], [23]
Phụ lục 1
* Xác định hàm lượng protein theo phương pháp Microbiuret [11]
Phụ lục 1
2.2.2. Phương pháp bố trí thí nghiệm xây dựng đường chuẩn
* Bố trí thí nghiệm xây dựng đường chuẩn cho phương pháp xác định độ deacetyl của chitosan
Phụ lục 1
* Bố trí thí nghiệm xây dựng đường chuẩn cho phương pháp Microbiuret
Phụ lục 1
* Bố trí thí nghiệm xây dựng đường chuẩn CuSO4
2.2.3. Phương pháp bố trí thí nghiệm
Hình 2.2. Sơ đồ bố trí thí nghiệm tổng quát
Rửa và tái sử dụng Nghiên cứu khả năng loại đồng bằng chitosan
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 - Tốc độ khuấy (lắc) (rpm)
- Thời gian khuấy (h)
- pH
- Nhiệt độ (0C)
* Bố trí thí nghiệm xác định khả năng hấp phụ Cu2+ của chitosan
Bố trí các thí nghiệm xác định khả năng hấp phụ Cu2+ của chitosan được trình bày ở Hình 2.3, thí nghiệm được thực hiện ở điều kiện:
+ pH = 5,5 – 6 (hiệu cỉnh bằng HCl 0,1M và NaOH 0,1M)
+ Thể tích ban đầu là 100ml, đựng trong bình nón 250ml
+ Hàm lượng chitosan là : 1 g/l + Nhiệt độ : 270C ± 2
+ Tốc độ khuấy: 120 rpm + Chitosan dạng bột có kích thước: ≤ 120 mesh
+ Nồng độ Cu2+ ban đầu thay đổi là : 10, 20, 40, 60, 80, 100 mg/l
Hình 2.3. Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định khả năng hấp phụ Cu2+ của chitosan
Nghiên cứu khả năng loại đồng bằng chitosan
Lọc
Nước đã loại đồng Chitosan hấp phụ đồng
Nước thải có đồng được thay đổi nồng độ (mg/l)
Cố định:
- Tốc độ khuấy (lắc) (rpm) - Thời gian khuấy (h)
- pH
- Nhiệt độ (0C)
- Hàm lượng (g), kích thước chitosan (mesh)
* Bố trí thí nghiệm xác định ảnh hưởng của tốc độ khuấy (lắc) tới khả năng hấp phụ của chitosan
Bố trí các thí nghiệm xác định ảnh hưởng của tốc độ khuấy lên quá trình được trình bày ở Hình 2.4, thí nghiệm được thực hiện ở điều kiện:
+ pH = 5,5 – 6 (hiệu cỉnh bằng HCl 0,1M và NaOH 0,1M)
+ Thể tích ban đầu là 100ml, đựng trong bình nón 250ml
+ Thời gian khuấy: 8h + Hàm lượng chitosan là : 1 g/l
+ Nồng độ Cu2+: 50 mg/l + Chitosan dạng bột có kích thước: ≤ 120 mesh
+ Nhiệt độ : 270C ± 2 + Tốc độ khuấy thay đổi: 100, 120, 150, 200, 300 rpm
Hình 2.4. Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định ảnh hưởng của tốc độ khuấy (lắc) tới khả năng hấp phụ của chitosan
Nghiên cứu khả năng loại đồng bằng chitosan
Lọc
Nước đã loại đồng Chitosan hấp phụ đồng
Nước thải có đồng (50 mg/l) Cố định:
- Thời gian khuấy (h)
- pH
- Nhiệt độ (0C)
- Nồng độ Cu2+ (mg/l) - Hàm lượng (g), kích thước chitosan (mesh) Thay đổi tốc độ khuấy (lắc) (rpm)
* Bố trí thí nghiệm xác định ảnh hưởng của thời gian khuấy (lắc) tới khả năng hấp phụ của chitosan
Bố trí các thí nghiệm xác định ảnh hưởng của thời gian khuấy lên quá trình được trình bày ở Hình 2.5, thí nghiệm được thực hiện ở điều kiện:
+ pH = 5,5 – 6 (hiệu cỉnh bằng HCl 0,1M và NaOH 0,1M)
+ Thể tích ban đầu là 100ml, đựng trong bình nón 250ml
+ Tốc độ khuấy: 120 rpm + Nồng độ Cu2+: 50 mg/l và 100 mg/l
+ Nhiệt độ : 270C ± 2 + Chitosan dạng bột có kích thước:≤60, 120 mesh
+ Hàm lượng chitosan là : 1 g/l + Thời gian khuấy thay đổi: 2, 4, 6, 8, 16 h
Hình 2.5. Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định ảnh hưởng của thời gian khuấy (lắc) tới khả năng hấp phụ của chitosan
Nghiên cứu khả năng loại đồng bằng chitosan
Lọc Nước đã loại đồng Chitosan hấp phụ đồng Nước thải có đồng (50 mg/l và 100 mg/l) Cố định: - Tốc độ khuấy (rpm) - pH - Nhiệt độ (0C) - Nồng độ Cu2+ (mg/l) - Hàm lượng (g), kích thước chitosan (mesh) Thay đổi thời gian khuấy (lắc) (h)
* Bố trí thí nghiệm xác định ảnh hưởng của pH tới khả năng hấp phụ của chitosan
Bố trí các thí nghiệm xác định ảnh hưởng của pH lên quá trình được trình bày ở Hình 2.6, thí nghiệm được thực hiện ở điều kiện:
+ Thể tích ban đầu là 100ml, đựng trong bình nón 250ml
+ Thời gian khuấy: 8 h + Tốc độ khuấy: 120 rpm
+ Nhiệt độ : 270C ± 2 + Nồng độ Cu2+: 50 mg/l
+ Hàm lượng chitosan là: 1 g/l + Chitosan dạng bột có kích thước: ≤ 120 mesh
+ pH thay đổi: 3, 4, 5, 6, 7, 8, 10, 11 (hiệu cỉnh bằng HCl 0,1M và NaOH 0,1M)
Hình 2.6. Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định ảnh hưởng của pH tới khả năng hấp phụ của chitosan
Nghiên cứu khả năng loại đồng bằng chitosan
Lọc
Nước đã loại đồng Chitosan hấp phụ đồng
Nước thải có đồng (50 mg/l) Cố định:
- Tốc độ khuấy (rpm)
- Thời gian khuấy (h)
- Nhiệt độ (0C)
- Nồng độ Cu2+ (mg/l) - Hàm lượng (g), kích thước chitosan (mesh) Thay đổi pH
* Bố trí thí nghiệm xác định ảnh hưởng của nhiệt độ tới khả năng hấp phụ của chitosan
Bố trí các thí nghiệm xác định ảnh hưởng của nhiệt độ lên quá trình được trình bày ở Hình 2.7, thí nghiệm được thực hiện ở điều kiện:
+ pH = 5,5 – 6 (hiệu cỉnh bằng HCl 0,1M và NaOH 0,1M)
+ Thể tích ban đầu là 100ml, đựng trong bình nón 250ml
+ Tốc độ khuấy: 120 rpm + Nồng độ Cu2+: 50 mg/l
+ Thời gian khuấy: 8 h + Chitosan dạng bột có kích thước: ≤ 120 mesh
+ Hàm lượng chitosan là : 1 g/l + Nhiệt độ thay đổi: 27, 35, 40, 50, 600C ±2
Hình 2.7. Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định ảnh hưởng của nhiệt độ tới khả năng hấp phụ của chitosan
Nghiên cứu khả năng loại đồng bằng chitosan
Lọc Nước đã loại đồng Chitosan hấp phụ đồng Nước thải có đồng (50 mg/l) Cố định: - Tốc độ khuấy (rpm) - pH
- Thời gian khuấy (h)
- Nồng độ Cu2+ (mg/l) - Hàm lượng (g), kích thước chitosan (mesh) Thay đổi nhiệt độ (0C)
* Bố trí thí nghiệm xác định lượng chitosan tối ưu khi xử lý nước có chứa nồng độ Cu2+ là 50 mg/l
Bố trí các thí nghiệm xác định lượng chitosan tối ưu khi xử lý nước có chứa nồng độ Cu2+ là 50 mg/l được trình bày ở Hình 2.8, được thực hiện ở điều kiện:
+ pH = 5,5 – 6 (hiệu cỉnh bằng HCl 0,1M và NaOH 0,1M)
+ Tốc độ khuấy: 120 rpm + Nhiệt độ: 270C ±2
+ Thời gian khuấy: 8 h + Nồng độ Cu2+: 50 mg/l
+ Chitosan dạng bột có kích thước: ≤ 120 mesh
+ Hàm lượng chitosan là : 0,1; 0,3; 0,5; 1; 1,5; 1,8; 2 g/l
Hình 2.8. Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định lượng chitosan tối ưu khi xử lý nước có chứa hàm lượng Cu2+ là 50 mg/l
Nghiên cứu khả năng loại đồng bằng chitosan
Lọc Nước đã loại đồng Chitosan hấp phụ đồng Nước thải có đồng (50 mg/l) Cố định: - Tốc độ khuấy (rpm) - pH - Nhiệt độ (0C)
- Thời gian khuấy (h) - Nồng độ Cu2+ (mg/l)
- Kích thước chitosan (mesh)
Thay đổi hàm lượng chitosan (g/l)
2.2.4. Phương pháp phân tích xử lý số liệu
Số liệu báo cáo là trung bình của 3 lần phân tích. Kết quả được phân tích thống kê bằng phần mềm Excel 2010. Giá trị sai số hay độ lệch chuẩn cũng được tính toán trên phần mềm Excel 2010.
Chương 3
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
3.1. Kết quả phân tích các chỉ tiêu chất lượng của mẫu chitosan
Các chỉ tiêu chất lượng của mẫu chitosan có ảnh hưởng rất lớn đến kết quả của quá trình nghiên cứu. Chất lượng của mẫu chitosan càng tốt thì hiệu quả của quá trình hấp phụ sẽ được nâng cao.
Kết quả phân tích các chỉ tiêu chất lượng của mẫu chitosan được trình bày trong Bảng 3.1.
Bảng 3.1. Một số chỉ tiêu chất lượng cơ bản của mẫu chitosan STT Chỉ tiêu chất lượng Đơn vị Kết quả
1 Màu sắc - Trắng sáng 2 Hàm lượng ẩm* % 12,28 ± 0,012 3 Hàm lượng tro* % 0,22 ± 0,05 4 Độ deacetyl hóa % 79,63 ± 0,2 5 Hàm lượng protein* % 1,17 ± 0,2 6 Độ nhớt cps -
*: Tính theo chất khô tuyệt đối.
Kết quả ở Bảng 3.1 cho thấy chất lượng mẫu chitosan được sử dụng để nghiên cứu khả năng hấp phụ kim loại nặng là khá tốt. Mẫu có độ deacetyl khá cao là 79,63% ± 0,2.
3.2. Kết qủa xác định khả năng hấp phụ Cu2+ của chitosan
Thực nghiệm xác định khả năng hấp phụ Cu2+ của chitosan được thực hiện ở điều kiện:
+ pH = 5,5 - 6 + Hàm lượng chitosan là : 1 g/l
+ Tốc độ khuấy: 120 rpm + Nhiệt độ : 270C ± 2
+ Nồng độ Cu2+ ban đầu là : 10-100 mg/l
+ Chitosan dạng bột có kích thước: ≤ 120 mesh
Bảng 3.2. Khả năng hấp phụ Cu2+ của chitosan
Nồng độ đồng ban đầu (mg/l) 10 20 40 60 80 100 Nồng độ đồng cân bằng Ce(mg/l) 0,02 1,4 7,6 13,8 21,6 30 Khả năng hấp phụ qe (mg/g) 9,98 18,6 32,4 46,2 58,4 70
* Đồ thị đường đẳng nhiệt Freundlich:
Ta sử dụng phương trình đẳng nhiệt Freundlich để vẽ đồ thị. Phương trình Freundlich trong mấy năm gần đây được coi là phương trình áp dụng cho xử lý nước tốt nhất trong các phương trình đẳng nhiệt.
lgqe = lg K + 1/n lgCe
Hình 3.2. Đồ thị đường đẳng nhiệt Freundlich
Bảng 3.3. Kết quả xử lý số liệu theo đường đẳng nhiệt Freundlich
lgqe 0,999 1,270 1,505 1,665 1,766 1,845
lgCe -1,699 0,146 0,903 1,140 1,334 1,477
Ta sử dụng phương pháp bình phương tối thiểu để xác định đường đẳng nhiệt:
Lgqe = 1,1797 + 0,4305 lgCe
Vậy phương trình đẳng nhiệt hấp phụ của chitosan như sau:
qe = 1,1797. Ce0,4305
Từ đồ thị đường đẳng nhiệt Hình 3.2 ta có thể xác định được khả năng hấp phụ của chitosan và qua đó có thể xác định được hàm lượng chitosan cần dùng để xử lý Cu2+ một cách hợp lý nhất.
3.3. Kết qủa xác định một số yếu tố ảnh hưởng tới khả năng hấp phụ của chitosan
3.3.1. Ảnh hưởng của tốc độ khuấy (lắc)
Thực nghiệm xác định ảnh hưởng của tốc độ khuấy lên quá trình được tiến hành ở điều kiện thay đổi tốc độ khuấy khi các thông số khác đều không đổi:
+ pH = 5,5 - 6 + Hàm lượng chitosan là : 1 g/l