Polyme mang điện tích là polyme có khối lượng phân tử lớn và khi hòa tan/phân tán trong nước thì phân li ra các ion mang điện. Trong công thức cấu tạo của polyme mang điện thường chứa nhóm các chức mang điện trái dấu. Khi polyme mang điện hòa tan trong nước thì dung dịch tạo thành có khảng năng dẫn điện như dung dịch muối. Vì các ion trong dung dịch là ion polyme có khối lượng phân tử lớn nên dung dịch của chúng thường có độ nhớt cao như các polyme lỏng. Polyme mang điện có 2 dạng chính là polyme mang điện âm (khi phân li phân tử polyme mang điện âm ví dụ như natripolystyrene sulfonate) và polyme mang điện dương (trường hợp polyme phân li ra phân tử mang điện tích dương : poly- diallyldimethylammonium chloride).
Các polyme mang điện có nhiều ứng dụng trong ngành công nghiệp sơn, chống ăn mòn, đóng vai trò như các chất kết tụ hiệu quả… Ngoài ra, các polyme mang điện hiện nay được nghiên cứu ứng dụng nhiều trong xử lý môi trường [13].
1.2.1 Polystyrene sulfonate (PSS) Tính chất hóa lý của PSS
Polystyrene sulfonate (PSS) với dạng muối tồn tại là Natri polystyrene sulfonate khi hòa tan trong nước phân li ra ion Na+ và PSS-. PSS là một polyme mang điện âm, một poly axit mạnh, phân li hoàn toàn, có nguồn gốc từ polystyren và được bổ sung nhóm chức sunfonat [63] (Hình 1.3). Polyme PSS có khối lượng
19
riêng 0,801 g/mL (25oC), khối lượng phân tử trung bình M= 1000 kg/mol. Công thức phân tử : (C8H7NaO3S)n.
Hình 1.3 Công thức cấu tạo của PSS Các phương pháp phân tích PSS
Trong công thức cấu tạo của PSS có phần mạch cacbon và phần mang điện với nhóm chức tập trung nhiều electron là nhóm benzen sulfonate. Nhóm chức này làm phân tử PSS mang điện tích âm và cũng là nhóm có khả năng hấp phụ bức xạ thuộc vùng tử ngoại (UV). Chính vì lí do đó mà với các phương pháp phân tích có detector quang phổ vùng UV đều có thể phân tích xác định PSS như phương pháp phấp thụ phân tử UV-Vis. Ngoài ra với nồng độ thấp của PSS có thể sử dụng các phương pháp sắc ký có detector UV. Tuy nhiên với mỗi phương pháp sẽ có khoảng nồng độ có thể xác định được khác nhau [19,48,56]. Tác giả J. Papenhuijzen cùng các cộng sự đã sử dụng phương pháp UV-Vis để xác định nồng độ PSS trước và sau quá trình cứu sự hấp phụ PSS trên polyoxymetylen đơn tinh thể, xây dựng mô hình hấp phụ. Hai cực đại hấp thụ của PSS trong dung dịch thu được ở 226 và 263 nm [51].
Ứng dụng của PSS
PSS được sử dụng làm chất trao đổi ion, chất keo tụ trong các lĩnh vực như kỹ thuật môi trường, làm sạch nước. Trong những năm gần đây PSS được sử dụng như một chất hấp phụ trong nghiên cứu về tương tác tĩnh điện giữa các hạt trong dung môi nước như thuốc nhuộm cation với polyme mang điện âm. Tác giả Claire Peyratout và các cộng sự [29] đã sử dụng các thuốc nhuộm cation rhodamine 6G (R6G), acridin cam (AO), bisindolenylpentamethine (Cy5) và 1,1-diethyl-2,2 – yanine (PIC) làm thay đổi độ hấp thụ quang và phát huỳnh quang của PSS.
20
Trong nghiên cứu quá trình xử lý amoni trong nước, tác giả Phạm Tiến Đức và các cộng sự đã sử dụng PSS để biến tính bề mặt vật liệu nhôm oxit (PMA).
Nhóm đã nghiên cứu và ứng dụng trong xử lý NH+4 bằng PMA tại điều kiện môi trường pH 4, thời gian hấp phụ 180 phút, nồng độ muối nền NaCl 0,01 M với hiệu suất xử lý là 61,2% [55]. Ứng dụng keo tụ của PSS đã được tác giả Gleb B.
Sukhorukov và cộng sự nghiên cứu [64]. Các hạt keo polyme mang điện kích thước 1 àm đa lớp được chế tạo bằng cỏch thờm PSS hoặc PAH ở nồng độ 3x10-6 mM vào 2.2x108 tiểu phân/mL polystyren (kích thước 640 nm), thời gian hấp phụ 20 phút trong nền muối NaCl 0,50 M.
1.2.2 Poly(2-acrylamide-2-methyl-1-propanesulfonic acid) (PAMPS) a) Tính chất hóa lý của PAMPs
2-Acrylamido-2-Methylpropane Sulfonic Acid (AMPS) là một loại vinyl monomer có chứa nhóm sulfonic, có cấu trúc chứa các nhóm sulfonic hòa tan trong nước tạo ra các anion hay các ‘ion polyme’ mang điện tích âm, nhóm amit được che chắn và liên kết đôi chưa bão hòa cho phép AMPS với khả năng ưu việt trong tạo phức tạp, hấp phụ, hoạt tính sinh học, hoạt tính bề mặt, ổn định thủy phân và ổn định nhiệt. Trong dung dịch nước, AMPS monomer có tỷ lệ thủy phân rất chậm, và dung dịch muối natri của nó có hiệu suất chống thủy phân cao khi pH cao hơn 9 [10,11]. Trong điều kiện axit, hiệu suất chống thủy phân của AMPS là tốt hơn nhiều so với polyacrylamide. Công thức phân tử: C7H13NO4S. Cấu trúc hoá học của PAMPs được chỉ ra ở Hình 1.4. Khối lượng phân tử của monomer: 207,24g/mol.
Hình 1.4 Công thức cấu tạo của PAMPs
21 b) Các phương pháp tổng hợp PAMPs
Phương pháp tổng hợp PAMPs là thực hiện trùng hợp và đồng trùng hơp các AMP monome bằng phản ứng trùng hợp gốc tự do [14]. Tuy nhiên bằng các phương pháp này, sản phẩm gần như không thể đạt được trọng lượng phân tử xác định do các phản ứng kết thúc phụ thuộc vào thời điểm kết thúc chuỗi phản ứng và khi đó sản phẩm tạo thành là các chuỗi polyme có độ dài phân tử khác nhau. Mặt khác, trùng hợp gốc chuyển nguyên tử (ATRP) được biết đến như một kỹ thuật ưu việt để tổng hợp các polyme xác định rõ với trọng lượng phân tử xác định trước, độ phân tán thấp và với các thành phần, cấu trúc liên kết và chức năng khác nhau [42].
Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng trong quá trình trùng hợp PAMPs bằng kỹ thuật ATRP với chất xúc tác, cần phải trung hòa các nhóm axit để ngăn chặn sự proton hóa các phối tử gốc amin, điều này có thể dẫn đến sự phân hủy của hệ thống xúc tác/phối tử và tránh phản ứng phụ tiếp theo. Trong luận văn này sử dụng polyme được tổng hợp bằng phương pháp trùng hợp gốc tự do trong đó sử dụng chất phụ gia để khống chế quá trình tạo mạch polyme thu được sản phẩm có khối lượng phân tử xác định.
c) Các phương pháp phân tích PAMPs
Các phương pháp phân tích hiện đại được áp dụng trong phân tích các đặc tính của PAMPs dựa trên các tính chất vật lý, hóa học đặc trưng của PAMPs. Trong công thức cấu tạo của PAMPs có chứa nhóm chức mang điện nhưng không thể phân tích bằng các phương pháp quang phổ như UV-Vis, phổ huỳnh quang phân tử mà cần thực hiện phân tích thông qua dẫn xuất của các polyme này hoặc tạo phức. Tuy nhiên các phương pháp này không được sử dụng nhiều trong phân tích polyme. Mặc dù cũng trong công thức cấu tạo của PAMPs có nhóm amin và nhóm sunfonate đều là những nhóm mang điện tích âm chứa các electron hoạt động nên có khả năng hấp thụ các photon lượng tử để đưa lên trạng thái kích thích (hấp thụ) và trở về trạng thái cơ bản (phát xạ) khi được cung cấp một năng lượng vừa đủ lớn. Mặt khác vì 2 nhóm mang điện âm này gần nhau nên khả năng hấp thụ và phát xạ là không lớn cần sử dụng bức xạ có năng lượng lớn (bức xạ có bước sóng ngắn) để có thể đưa
22
electron lên vị trí kích thích. Tuy nhiên khi sử dụng các bức xạ có năng lượng cao thì khi đó sẽ xảy ra các phản ứng phụ của polyme trong dung dịch chính vì lí do đó mà các phương pháp quang phổ không thể áp dụng để phân tích xác định PAMPs trực tiếp trong dung dịch. Bên cạnh đó ngày nay cấu trúc của PAMPS có thể được phát hiện bằng các phương pháp như cộng hưởng từ hạt nhân NMR. PAMPs ở dạng rắn còn có thể sử dụng phương pháp phân tích nhiệt vi sai để định lượng và phát hiện. Các phòng thí nghiệm nghiên cứu về polyme hiện nay sử dụng phương pháp sắc ký thẩm thấu qua gel để phân tích cho biết số lượng phân tử trung bình và khối lượng phân tử trung bình của polyme [23].
d) Ứng dụng của PAMPs
Polyme AMPs được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp, chẳng hạn như hóa dầu, xử lý nước, sợi tổng hợp, in ấn và nhuộm, nhựa, làm giấy, lớp phủ hấp phụ nước, y sinh, từ vật liệu và mỹ phẩm. Các polyme chứa AMPs đã được ứng dụng thành công trong pin nhiên liệu màng polyme [10], làm màng xúc tác để sản xuất diesel sinh học [23] và trong các ứng dụng y tế do độc tính thấp, tính ổn định thủy phân và hoạt tính kháng khuẩn chống lại vi sinh vật [18]. Hơn nữa, chúng được sử dụng trong nhiều loại sản phẩm công nghiệp như mỹ phẩm, chất phủ và chất kết dính, trong số những loại khác.
Với các đặc điểm về tính chất hóa học, vật lý, khả năng ứng dụng của các polyme mang điện kể trên mà chúng được sử dụng trong biến tính bề mặt của nano alpha – nhôm oxit nhằm mục đích nâng cao dung lượng hấp phụ của vật liệu này trong ứng dụng xử lý các hợp chất hữu cơ như trong luận văn lựa chọn đối tượng là thuốc kháng sinh với họ fluoroquinolone.