Nội dung

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM -------------o0o------------- HỒ THỊ YÊU LY NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ VÀ SỬ DỤNG MỘT SỐ HỢP CHẤT CHITOSAN BIẾN TÍNH ĐỂ TÁCH VÀ LÀM GIÀU CÁC NGUYÊN TỐ HÓA HỌC (U(VI), Cu(II), Pb(II), Zn(II) và Cd(II)) Chuyên ngành: Hóa Phân tích Mã số ngành: 62.44.29.01 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC ĐÀ LẠT - NĂM 2014 a) Công trình được hoàn thành tại: TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM b) Tập thể hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS. NGUYỄN MỘNG SINH 2. PGS.TS. NGUYỄN VĂN SỨC c)Phản biện luận án: Phản biện 1: ..................................................................... Phản biện 2: ..................................................................... Phản biện 3: ..................................................................... Luận án sẽ được bảo vệ tại Hội đồng chấm luận án cấp nhà nước họp tại: VIỆN NGHIÊN CỨU HẠT NHÂN, VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM Vào hồi ….. giờ ….. phút, ngày ….. tháng ….. năm …… d)Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia Việt Nam - Thư viện Viện năng lượng nguyên tử Việt Nam ĐÀ LẠT – NĂM 2014 2 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Tận dụng những phế thải từ thủy sản hay các phụ phẩm nông nghiệp để điều chế một vật liệu hấp phụ sinh học, thân thiện với môi trường, có khả năng hấp phụ các ion kim loại là việc làm cần được quan tâm. Trong số các vật liệu hấp phụ sinh học, chitosan là một loại vật liệu polymer không độc, có khả năng phân hủy sinh học. Chitosan chưa được ghép mạch có khả năng hấp phụ tốt một số các ion kim loại từ dung dịch có pH trung tính, ở pH thấp dễ bị hòa tan gây khó khăn cho quá trình hấp phụ, đây chính là điều không thuận lợi khi sử dụng chitosan để hấp phụ các ion kim loại cho mục đích làm giàu hay tái sử dụng vật liệu. Chitosan đã được ghép mạch bền trong môi trường acid nhưng làm giảm đáng kể khả năng hấp phụ ion kim loại. Do vậy, việc không ngừng tạo ra những vật liệu trên cơ sở chitosan biến tính có độ bền cao trong môi trường acid nhưng vẫn giữ nguyên được tính chất hấp phụ của nó là rất cần thiết. Nhằm đáp ứng yêu cầu nêu trên chúng tôi đã tiến hành điều chế chitosan khâu mạch (CTSK), chitosan khâu mạch gắn acid citric (CTSKCT) và nghiên cứu một cách chi tiết các đặc tính hấp phụ ion kim loại cho mục đích cô lập và làm giàu một số ion kim loại trong môi trường nước. 2. Mục tiêu của luận án - Điều chế được chitosan biến tính dạng vảy bền trong mồi trường acid có khả năng hấp phụ cao các ion kim loại. - Xác định được các đặc tính hấp phụ của các vật liệu vừa điều chế đối với các ion kim loại U(VI), Cu(II), Pb(II), Zn(II) và Cd(II) trong dung dịch nước. - Sử dụng các kết quả đã nghiên cứu áp dụng xác định được nồng độ lượng vết các ion kim loại trong một số mẫu nước và loại bỏ ion kim loại ra khỏi môi trường nước bị ô nhiễm. 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 3.1.Ý nghĩa khoa học - Đã điều chế được vật liệu chitosan biến tính dạng vảy (chitosan khâu mạch và chitosan khâu mạch gắn acid citric), vật liệu bền trong môi trường acid và có dung lượng hấp phụ cao đối với các ion U(VI), Cu(II), Pb(II), Zn(II) và Cd(II). - Xác định được các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ của chitosan khâu mạch và chitosan khâu mạch gắn acid citric dạng vảy đối với các ion kim loại U(VI), Cu(II), Pb(II), Zn(II) và Cd(II). -1- - Đã xác định được các thông số động học và cân bằng hấp phụ của quá trình hấp phụ các ion kim loại lên chitosan biến tính. Xác định được dung lượng hấp phụ cực đại của vật liệu điều chế được đối với các ion kim loại nghiên cứu. 3.2.Ý nghĩa thực tiễn - Tận dụng nguồn phế thải thủy sản để điều chế được vật liệu hấp phụ không độc hại, dễ phân hủy sinh học có dung lượng hấp phụ cao đối với các ion U(VI), Cu(II), Pb(II), Zn(II) và Cd(II). - Trên cơ sở đó xây dựng được phương pháp cô lập làm giàu lượng vết các nguyên tố đã cho để phân tích định lượng cũng như loại bỏ chúng trong nước thải, nước bề mặt, nước ngầm và các đối tượng môi trường khác. 4. Nội dung của luận án - Điều chế CTSK bằng cách khâu mạch chitosan với tác nhân khâu mạch glutaraldehyde và thử nghiệm độ bền của nó trong các môi trường pH khác nhau. Điều chế CTSK-CT là sản phẩm của phản ứng chitosan khâu mạch và acid citric. Nghiên cứu xác định lượng acid citric thích hợp để điều chế CTSK-CT. - Xác định pHPZC và một số tính chất vật lý của các vật liệu vừa được điều chế, khảo sát hình thái bề mặt, đo phổ hồng ngoại FT-IR. - Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số như: thời gian tiếp xúc, pH dung dịch, liều lượng chất hấp phụ, nồng độ ion kim loại, nhiệt độ dung dịch thông qua quá trình nghiên cứu gián đoạn và quy hoạch thực nghiệm (chỉ nghiên cứu QHTN đối với vật liệu hấp phụ là CTSK-CT). Xác định các thông số nhiệt động QTHP các ion kim loại lên CTSK-CT. - Nghiên cứu cân bằng hấp phụ, động học hấp phụ các ion kim loại U(VI), Cu(II), Pb(II), Zn(II) và Cd(II) lên các vật liệu vừa điều chế. - Nghiên cứu hấp phụ dòng liên tục các ion kim loại U(VI), Cu(II) và Zn(II) trong cột nhồi CTSK-CT. - Nghiên cứu rửa giải các ion kim loại sau khi bị hấp phụ vào cột nhồi CTSK-CT. - Xác định hàm lượng các ion U(VI), Cu(II), Pb(II), Zn(II) và Cd(II) trong một số mẫu nước (nước sông, nước giếng khoan, nước máy). - Xác định hiệu suất tách loại các ion U(VI), Cu(II), Pb(II), Zn(II) và Cd(II) trong mẫu nước thải công nghiệp. 5. Những đóng góp mới của luận án 1. Đã điều chế được chitosan khâu mạch gắn acid citric, một dẫn xuất của chitosan, bền trong môi trường axit, có khả năng hấp phụ tốt các ion kim loại U(VI), Cu(II), Pb(II) Zn(II) và Cd(II). -2- 2. Luận án đã xác định một cách đầy đủ các ảnh hưởng của các thông số như pH, thời gian tiếp xúc, liều lượng chất hấp phụ và kích thước vảy đến quá trình hấp phụ các ion kim loại U(VI), Cu(II), b(II) Zn(II) và Cd(II). Xác định cơ chế hấp phụ, mô tả cân bằng hấp phụ và xác định được khả năng hấp phụ tối đa của vật liệu đã điều chế đối với các ion kim loại nghiên cứu. Xác định các thông số nhiệt động của quá trình hấp phụ các ion kim loại U(VI), Cu(II), Pb(II) Zn(II) và Cd(II) lên CTSK-CT. 3. Luận án cũng đã nghiên cứu ảnh hưởng của lưu lượng dòng chảy, nồng độ ban đầu ion kim loại và chiều cao lớp hấp phụ đến đường cong thoát bằng phương pháp hấp phụ cột của các ion kim loại U(VI), Cu(II) và Zn(II) lên cột nhồi CTSK-CT. 4 Dựa trên cơ sở các kết quả nghiên cứu đạt được, áp dụng xác định lượng vết các ion kim loại U(VI), Cu(II), Pb(II) Zn(II) và Cd(II) trong các mẫu nước máy, nước giếng, nước sông và tách loại các ion kim loại trong một số mẫu nước thải.. 6. Bố cục luận án Cấu trúc của luận án gồm phần Mở đầu, ba chương và kết luận. Trong đó: Chương 1: Gồm 21 trang, trình bày tổng quan chitosan và kết quả nghiên cứu việc sử dụng chitosan và các dẫn xuất của nó trong hấp phụ tách loại làm giàu ion kim loại. Chương 2: Gồm 27 trang, trình bày hóa chất cần thiết, dụng cụ, thiết bị, vật liệu và phương pháp nghiên cứu. Chương 3: gồm 74 trang, Trình bày kết quả nghiên cứu và thảo luận Ngoài ra, luận án còn có mục lục, danh sách bảng, danh sách hình, ký hiệu và chữ viết tắt, phụ lục (gồm 60 trang) và 112 tài liệu tham khảo (bao gồm cả tiếng Việt và tiếng Anh). CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. CHITOSAN VÀ DẪN XUẤT CỦA CHITOSAN 1.1.1. Cấu trúc của chitin, chitosan: Chitosan là một copolymer phân hủy sinh học bao gồm các đơn vị D – glucosamin và N – acetyl – D glucosamin, là sản phẩm thu được từ quá trình deacetyl tách gốc acetyl khỏi nhóm amino ở vị trí C2. Đơn vị cấu tạo trong phân tử chitosan là D – glucosamin. Liên kết  - glucozit, mỗi mắt xích lệch nhau 1800 tạo nên mạch xoắn. -3- 1.1.2. Quy trình sản xuất chitosan 1.1.3. Tính chất lý – hóa của chitosan Chitosan là chất rắn xốp, nhẹ, hình vảy có thể xay nhỏ với kích thước khác nhau. Chitosan có màu trắng hoặc vàng nhạt, không mùi, không vị, có khối lượng phân tử cao.Chitosan có cấu trúc tinh thể, chitosan khô không có điểm chảy. Dung dịch chitosan có độ nhớt cao. Chitosan không tan trong nước nhưng tan dễ trong các dung môi hữu cơ như acid formic, acid adipic, acid acetic… Sự hiện diện của nhóm amin tự do trong đơn vị D – Glucosamin có thể được proton hóa trong môi trường acid làm cho chitosan hòa tan được trong môi trường acid loãng, tạo thành dung dịch có pH khoảng 4,0 – 6,4. Chitosan tích điện dương do đó nó có khả năng liên kết hóa học với những chất tích điện âm như chất béo, lipid, cholesterol, protein và các đại phân tử. Chitin và chitosan rất có ích về mặt thương mại như là một nguồn vật chất tự nhiên do tính chất đặc biệt của chúng như tính tương thích về mặt sinh học, khả năng hấp thụ, khả năng tạo màng và giữ các ion kim loại. Hầu hết những phản ứng đặc trưng của chitin cũng là phản ứng đặc trưng của chitosan. Ngoài ra, do chitosan có nhóm amin bậc I hiện diện dọc theo chiều dài mạch phân tử nên tính chất hóa học của chitosan phong phú hơn nhiều. Đó là những phản ứng đặc trưng của nhóm amin bậc I như sự hình thành muối, sự khâu mạch…tạo ra những ứng dụng rộng lớn cho polymer này. 1.1.4. Sự khâu mạch chitosan Khâu mạch chitosan với hai mục đích chính: để cải thiện sự đa dạng hấp thu ion kim loại và để làm tăng độ bền của chitosan trong môi trường axít. Quá trình khâu mạch của chitosan được thực hiện bởi phản ứng của chitosan và một số các tác nhân khâu mạch là nhị chức hoặc đơn chức. Quá trình khâu mạch có thể thực hiện theo phương pháp đồng thể hoặc dị thể. -4- 1.1.5. Một số dẫn xuất của chitin và chitosan 1.1.6. Ứng dụng của chitin/chitosan và dẫn xuất của nó Do những thuộc tính vật lý và hóa học của chitosan mà nó được sử dụng trong nhiều loại sản phẩm và có nhiều ứng dụng trong công nghiệp và cuộc sống như trong y dược, công nông nghiệp, công nghệ in ấn, thực phẩm và công nghệ môi trường... 1.2. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VIỆC SỬ DỤNG CHITOSAN VÀ CÁC DẪN XUẤT CỦA NÓ TRONG HẤP PHỤ TÁCH LOẠI LÀM GIÀU ION KIM LOạI CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM 2.1. HÓA CHẤT, THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH 2.1.1. Hóa chất và thiết bị  Các dung dịch chuẩn gốc U6+, Cu2+, Pb2+, Zn2+ và Cd2+ nồng độ1000ppm. Dung dịch acid citric, arsenazo III, NaNO3, Na2SO4, NaOH, NaCl, KCl, CH3COONa, ClCH2COOH được pha từ dạng rắn tương ứng. Dung dịch glutaralandehyde, HNO3, H2SO4, CH3COOH và các hóa chất cần thiết khác đều được sử dụng ở dạng tinh khiết phân tích của Merck.  Máy đo pH WTW 720 InoLAB, cân phân tích, cân kỹ thuật, máy lắc vòng, máy lắc kèm bể điều nhiệt, máy cất nước 2 lần, tủ sấy, máy phân tích cực phổ, máy quang phổ UV-VIS. 2.1.2. Phương pháp phân tích - Phương quang phổ hấp phụ tử ngoại khả kiến (UV-VIS spectrometry) xác định U(VI). Ion U(VI) tạo phức màu với Arsenazo-III 0,1% (w/v) trong môi trường đệm pH = 2,5 được pha chế từ ClCH2COOH và CH3COOH. Độ hấp thụ màu của phức U(VI) – Arsenazo-III được đo ở bước sóng 652 nm. - Các ion kim loại Cu(II), Pb(II), Zn(II), Cd(II) được phân tích bằng phương pháp Von-Ampe hòa tan anot (ASV) với kỹ thuật von-ampe hòa tan anot xung vi phân (DP-ASV), sử dụng điện cực làm việc giọt thủy ngân treo (HDME). Quy trình xác định Cu(II), Pb(II), Zn(II), Cd(II) với các điều kiện tối ưu được thực hiện theo hướng dẫn đính kèm của máy 797 VA Computrace (Metrohm Thụy Sĩ). 2.2. VẬT LIỆU HẤP PHỤ Điều chế chitosan khâu mạch (CTSK) và chitosan khâu mạch gắn acid citric (CTSK-CT) -5- Nghiền chitosan thô về dạng có kích thước nhỏ hơn, sau đó đem khâu mạch với tác nhân khâu mạch glutaraldehyde (5 g CTS + 75ml glutaraldehyde 2,5% (v/v), thời gian phản ứng 12 giờ ở nhiệt độ phòng) Chọn lấy mẫu CTSK có kích thước vảy 0,15 – 0,45mm để điều chế chitosan khâu mạch gắn acid citric. 6g CTSK cho tác dụng với 24ml dung dịch acid citric có các nồng độ từ 1,0 – 3,0%, trộn đều hỗn hợp và lắc ở nhiệt độ phòng trong vòng 1 giờ. Cho hỗn hợp vào tủ sấy ở 600C trong vòng 5 giờ, tách lấy vật liệu và rửa thật sạch lượng dư acid bằng nước cất, sấy đến trọng lượng không đổi ở 600C, thu được CTSK-CT có màu đỏ thẫm. Xác định các tính chất của vật liệu như độ trương nước, độ bền trong môi trường acid, độ đề acetyl hóa, khả năng hấp phụ ion kim loại, phần trăm glutaraldehyde và acid citric gắn vào mạch, xác định cấu trúc của vật liệu bằng phổ hồng ngoại, xác định hình thái bề mặt, pH tại điểm điện tích không, diện tích bề mặt riêng và khối lượng riêng của vật liệu. 2.3. NGHIÊN CÚU HẤP PHỤ GIÁN ĐOẠN CÁC ION KIM LOẠI LÊN CTSK VÀ CTSK-CT 2.4. NGHIÊN CỨU HẤP PHỤ CÁC ION KIM LOẠI LÊN CTSK-CT BẰNG QUY HOẠCH THỰC NGHIỆM BOX-BEHNKEN DESIGN (BBD) CỦA PHƯƠNG PHÁP ĐÁP ỨNG BỀ MẶT (RMS) 2.5. KHẢO SÁT HẤP PHỤ LIÊN TỤC CÁC ION KIM LOẠI LÊN CTSK-CT 2.6. NGHIÊN CỨU GIẢI HẤP 2.7. XÁC ĐỊNH LƯỢNG VẾT CÁC ION KIM LOẠI TRONG MỘT SỐ MẪU NƯỚC BẰNG PHƯƠNG PHÁP HẤP PHỤ LÀM GIÀU TRÊN VẬT LIỆU CTSK-CT. 2.8. XÁC ĐỊNH HIỆU SUẤT TÁCH LOẠI CÁC ION U(VI), Cu(II), Pb(II), Zn(II), Cd(II) TRONG MỘT SỐ MẪU NƯỚC THẢI -6- CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. ĐIỀU CHẾ VẬT LIỆU CHITOSAN BIẾN TÍNH 3.1.1. Xác định độ trương nước của các mẫu CTSK Kết quả xác định độ trương nước (hình 3.1) cho thấy độ trương giảm dần khi tăng nồng độ glutaraldehyde dùng để khâu mạch từ 0 – 3,5%. 3.1.2. Xác đinh độ bền trong môi trường nước có pH khác nhau của một số mẫu CTSK Tính tan của các mẫu CTSK được minh họa ở hình 3.2. Khi CTS được khâu mạch với nồng độ glutaraldehyde càng thấp thì CTSK tan càng nhiều và khi môi trường nước có pH càng thấp, lượng CTSK bị tan càng tăng. Khi CTS được khâu mạch với nồng độ glutaraldehyde 2,5% thì gần như không tan trong môi trường nước có pH thấp ngay cả pH = 0,3. 3.1.3. Xác định độ đề acetyl hóa của các mẫu CTSK Hình 3.3 là sự phụ thuộc ĐĐA theo liều lượng glutaraldehyde tăng dần. ĐĐA giảm dần khi tăng lượng glutaraldehyde do mức độ khâu mạch tăng. 3.1.4. Khả năng hấp phụ một số ion kim loại loại đối với các mẫu CTSK Hình 3.4 minh họa khả năng hấp phụ ion kim loại của các mẫu CTSK. Nhìn chung, khả năng hấp phụ ion kim loại của các mẫu CTSK giảm dần đáng kể khi mức độ khâu mạch tăng. Dựa vào kết quả nghiên cứu đạt được chúng tôi chọn glutaraldehyde 2,5% là lượng thích hợp để điều chế chitosan khâu mạch -7- 3.1.5. Khảo sát liều lượng acid citric dùng để ghép mạch Hình 3.5 minh họa khả năng hấp phụ ion kim loại của các mẫu CTSK được gắn với acid citric ở nồng độ khác nhau. Khi lượng acid citric sử dụng trong phản ứng với CTSK tăng, khả năng hấp phụ ion kim loại của vật liệu tăng lên đáng kể. Từ các thông tin nêu trên, chúng tôi đã chọn nồng độ acid citric 2% để tiến hành điều chế chitosan khâu mạch gắn acid citric. 3.1.6. Xác định phần trăm glutaraldehyde gắn trong mạch CTSK và % acid citric gắn trong mạch CTSK-CT. Bảng 3.1 trình bày kết quả xác định phần trăm glutaraldehyde (so với CTS) gắn trong mạch CTSK với liều glutaraldehyde 2,5% và phần trăm acid citric (so với CTSK) gắn vào mạch CTSK-CT với liều acid citric 2%. Hình 3.5. HSHP ion kim loại của CTSK gắn acid citric ở các nồng độ khác nhau 3.1.7. Khảo sát cấu trúc của vật liệu Phổ hồng ngoại (FT-IR) của CTS, CTSK, CTSK-CT được đưa ra ở các hình 3.6. -8-