Tài liệu Nghiên cứu hấp phụ thuốc nhuộm hoạt tính trong nước thải ngành dệt nhuộm bằng chitosan khâu mạch bức xạ có nguồn gốc từ vỏ tôm

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Đặng Lê Minh Trí NGHIÊN CỨU HẤP PHỤ THUỐC NHUỘM DRIMAREN RED CL5B TRONG NƯỚC THẢI NGÀNH DỆT NHUỘM BẰNG CHITOSAN KHÂU MẠCH BỨC XẠ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2012 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Đặng Lê Minh Trí NGHIÊN CỨU HẤP PHỤ THUỐC NHUỘM DRIMAREN RED CL5B TRONG NƯỚC THẢI NGÀNH DỆT NHUỘM BẰNG CHITOSAN KHÂU MẠCH BỨC XẠ Chuyên ngành: Sinh học thực nghiệm Mã số: 60 42 30 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Trần Minh Quỳnh Hà Nội - 2012 MỤC LỤC Trang MỤC LỤC .................................................................................................................... CÁC CHỮ VIẾT TẮT ................................................................................................ DANH MỤC CÁC BẢNG .......................................................................................... DANH MỤC CÁC HÌNH ........................................................................................... ĐẶT VẤN ĐỀ ..........................................................................................................01 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN TÀI LIỆU ................................................................ 04 1. SỰ PHÁT TRIỂN NGÀNH TÔM VÀ HỆ LỤY Ô NHIỄM TỪ VỎ TÔM ..04 2. CHITIN, CHITOSAN VÀ CÁC ỨNG DỤNG .................................................06 2.1 Nguồn gốc, công thức và cấu trúc của chitosan ..................................................06 2.2 Tính chất hóa học và khả năng ứng dụng của chitin/chitosan và dẫn xuất .........07 2.3 Quy trình sản xuất chitin/chitosan ......................................................................08 2.3.1 Quá trình loại bỏ protein ..................................................................................09 2.3.2 Quá trình khử khoáng.......................................................................................09 2.3.3 Quá trình khử màu ...........................................................................................10 2.3.4 Deacetyl chitin trong sản xuất chitosan ...........................................................10 2.4 Ứng dụng chitosan trong xử lý làm sạch môi trường .........................................10 2.5 Ứng dụng xử lý nước thải ngành dệt...................................................................11 3. CÔNG NGHỆ BỨC XẠ VÀ ỨNG DỤNG CHIẾU XẠ KHÂU MẠCH LÀM BỀN VẬT LIỆU ......................................................................................................12 3.1 Các quá trình hóa bức xạ .....................................................................................12 3.2 Khâu mạch chitosan bằng xử lý chiếu xạ............................................................ 13 4. NƯỚC THẢI DỆT NHUỘM .............................................................................14 4.1 Phân loại thuốc nhuộm ........................................................................................15 4.2 Thuốc nhuộm hoạt tính .......................................................................................16 4.3 Tác hại của nước thải dệt nhuộm lên hệ sinh thái và các phương pháp loại bỏ thuốc nhuộm khỏi nước thải......................................................................................17 5. XỬ LÝ NƯỚC THẢI DỆT BẰNG PHƯƠNG PHÁP HẤP PHỤ ..................18 5.1 Hiện tượng hấp phụ ............................................................................................. 18 5.1.1 Hấp phụ vật lý ..................................................................................................18 5.1.2 Hấp phụ hoá học............................................................................................... 19 5.2 Hấp phụ các chất hữu cơ trong môi trường nước ...............................................19 5.3 Động học hấp phụ ............................................................................................... 19 5.4 Cân bằng hấp phụ - Các phương trình đẳng nhiệt hấp phụ .................................20 5.5 Nghiên cứu giải hấp phụ .....................................................................................22 CHƯƠNG II. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ......................23 1. NGUYÊN VẬT LIỆU, THIẾT BỊ VÀ HÓA CHẤT ........................................23 1.1 Nguyên vật liệu, hóa chất ....................................................................................23 1.2 Thiết bị, dụng cụ .................................................................................................23 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM .......................................24 2.1 Phương pháp điều chế chitosan từ vỏ tôm ..........................................................24 2.2 Các phương pháp xác định đặc tính của chitosan ...............................................26 2.2.1 Xác định khối lượng phân tử trung bình của chitosan .....................................26 2.2.2 Xác định độ deacetyl của chitosan thu được ....................................................27 2.3 Tạo hạt chitosan khâu mạch ion (chitosan bead) ................................................28 2.4 Tạo hạt chitosan khâu mạch bền bằng xử lý chiếu xạ ........................................29 2.4.1 Phương pháp xử lý chiếu xạ .............................................................................29 2.4.2 Xác định đặc trưng của hạt khâu mạch ............................................................ 29 2.5 Đánh giá khả năng hấp phụ của hạt chitosan khâu mạch ...................................29 2.5.1 Chuẩn bị nước thải mẫu chứa thuốc nhuộm hoạt tính .....................................30 2.5.2 Khả năng hấp phụ của hạt chitosan khâu mạch đối với Drimaren Red ...........30 2.5.3 Khảo sát khả năng giải hấp phụ .......................................................................31 2.5.4 Xác định độ màu nước thải sau quá trình hấp phụ màu ...................................32 2.5.5 Ảnh hưởng của các yếu tố môi trường tới khả năng hấp phụ của hạt chitosan......................................................................................................................32 2.5.6 Hình ảnh hiển vi điện tử của hạt chitosan trước và sau quá trình hấp phụ ......33 CHƯƠNG III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN............................... 34 1. ĐIỀU CHẾ CHITOSAN TỪ VỎ TÔM ............................................................ 34 1.1 Hình thái của sản phẩm chitosan thu được .........................................................34 1.2 Khối lượng trung bình của sản phẩm chitosan....................................................35 1.3 Độ deacetyl hóa của sản phẩm chitosan.............................................................. 36 2. TẠO HẠT CHITOSAN KHÂU MẠCH ION ...................................................37 2.1 Ảnh hưởng của hàm lượng chitosan đến khả năng tạo hạt .................................37 2.2 Ảnh hưởng của nồng độ chất khâu mạch sTPP đến hình dáng và kích thước hạt .............................................................................................................................. 39 3. TẠO HẠT CHITOSAN KHÂU MẠCH BỀN BẰNG XỬ LÝ CHIẾU XẠ ...41 3.1 Ảnh hưởng của TAIC đến hạt chitosan khâu mạch ............................................41 3.2 Ảnh hưởng của liều chiếu xạ tới hạt chitosan khâu mạch ..................................42 3.3 Đặc trưng của hạt chitosan khâu mạch bức xạ ....................................................44 4. KHẢ NĂNG HẤP PHỤ CỦA HẠT CHITOSAN KHÂU MẠCH BỨC XẠ ĐỐI VỚI DRIMAREN RED CL-5B .....................................................................44 4.1 Xây dựng đường chuẩn về hàm lượng Drimaren Red CL-5B ............................ 45 4.2 Ảnh hưởng của điều kiện thực nghiệm đến khả năng hấp phụ của hạt chitosan khâu mạch đối với Drimaren Red CL-5B .................................................................47 4.2.1 Ảnh hưởng của lượng chất hấp phụ .................................................................47 4.2.2 Ảnh hưởng của pH môi trường ........................................................................49 4.2.3 Ảnh hưởng của thời gian hấp phụ ....................................................................51 4.2.4 Xác định ảnh hưởng của nhiệt độ.....................................................................53 4.3. Khả năng hấp phụ của hạt chitosan khâu mạch ở điều kiện tối ưu ....................55 4.4 Nghiên cứu khả năng giải hấp phụ ......................................................................56 CHƯƠNG IV. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ......................................................58 CHƯƠNG V. KIẾN NGHỊ .....................................................................................59 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................60 PHỤ LỤC ..................................................................................................................... CÁC CHỮ VIẾT TẮT BOD Nhu cầu oxy sinh hoá COD Nhu cầu oxy hoá học DA Độ acetyl hóa (Degree of acetylation) DD Độ deacetyl hóa (Degree of deacetylation) IR Hồng ngoại (Infrared) NLNTVN Năng lượng nguyên tử Việt Nam sTPP Sodium tripolyphosphate (Na5P3O10) TAIC Tryallyl isocyanurate TNHT Thuốc nhuộm hoạt tính TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam VLHP Vật liệu hấp phụ DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1. Tổn thất thuốc nhuộm khi nhuộm các loại xơ sợi ...................................... 15 Bảng 2. Một số mô hình đẳng nhiệt hấp phụ thông dụng ........................................ 22 Bảng 3. Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch đến độ nhớt tương đối của chitosan ... 36 Bảng 4. Các giá trị độ nhớt của dung dịch chitosan có nồng độ khác nhau ............ 36 Bảng 5. Kích thước hạt chitosan khâu mạch ion theo hàm lượng chất khâu mạch . 41 Bảng 6. Ảnh hưởng của chất khâu mạch đến hình dạng bên ngoài của hạt khâu mạch ......................................................................................................................... 42 Bảng 7. Số liệu xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ Drimaren Red ............... 47 Bảng 8. Ảnh hưởng của lượng chất hấp phụ đến độ màu TNHH sau xử lý ............ 48 Bảng 9. Ảnh hưởng của pH đến độ màu TNHH sau xử lý ...................................... 50 Bảng 10. Ảnh hưởng của thời gian hấp phụ đến độ màu TNHH sau xử lý ............. 53 Bảng 11. Ảnh hưởng của nhiệt độ hấp phụ đến độ màu TNHH sau xử lý .............. 55 Bảng 12. Giá trị C của các thông số ô nhiễm trong nước thải công nghiệp ............ 75 DANH MỤC CÁC HÌNH Trang Hình 1. Chế biến tôm và vỏ tôm thải ra từ công nghiệp chế biến tôm .................... 04 Hình 2. Thành phần hóa học chính của vỏ tôm ....................................................... 05 Hình 3. Cấu trúc phân tử của chitin, chitosan và cellulose ...................................... 06 Hình 4. Quy trình điều chế chitosan từ vỏ giáp xác ................................................. 08 Hình 5. Hệ chiếu xạ sử dụng nguồn chiếu xạ Co-60 ............................................... 12 Hình 6. Cấu tạo hóa học của một số loại TNHTchứa sunfon .................................. 16 Hình 7. Các mô hình Langmuir về hấp phụ và giải hấp phụ ................................... 22 Hình 8. Cấu trúc thuốc nhuộm Drimaren Red CL-5B ............................................. 23 Hình 9. Điều chế chitosan từ vỏ tôm........................................................................ 25 Hình 10. Bố trí bảng nguồn trong buồng chiếu xạ .................................................. 31 Hình 11. Chitosan thu được sau a) 15; b) 30; c) 45 và d) 60 phút khử màu bằng dung dịch KMnO4 .................................................................................................... 34 Hình 12. Đồ thị phụ thuộc của độ nhớt giới hạn và độ nhớt cố hữu của dung dịch chitosan theo nồng độ............................................................................................... 36 Hình 13. Phổ hồng ngoại của chitosan thu được ..................................................... 37 Hình 14. Hình thái hạt chitosan khâu mạch ion tạo được trong dung dịch sTPP .... 38 Hình 15. Cơ chế tương tác giữa chitosan với sTPP môi trường có nước ................ 39 Hình 16. Kích thước hạt chitosan thu được ............................................................. 40 Hình 17. Các hạt chitosan khâu mạch bức xạ tạo được với các liều chiếu xạ khác nhau .......................................................................................................................... 42 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 .................... 43 Hình 19. Phần trăm tạo gel và độ trương nước của hạt chitosan khâu mạch theo liều chiếu xạ .................................................................................................................... 44 Hình 20. Phổ hấp thụ của các dung dịch chứa Drimaren Red CL-5B với hàm lượng khác nhau.................................................................................................................. 45 Hình 21. Đường chuẩn xác định nồng độ Drimaren Red CL-5B ............................ 46 Hình 22. Ảnh hưởng của lượng chất hấp phụ .......................................................... 48 Hình 23. Ảnh hưởng của pH tới khả năng hấp phụ thuốc nhuộm ........................... 50 Hình 24. Ảnh hưởng của thời gian ........................................................................... 52 Hình 25. Ảnh hưởng của nhiệt độ ............................................................................ 54 Hình 26. Phổ hấp phụ của dung dịch CL-5B 0,2 g/L trước và sau khi hấp phụ bằng CH3 ở điều kiện tối ưu ............................................................................................. 55 Hinh 27. Phổ hấp phụ của dung dịch CL-5B 0,2 g/L sau khi hấp phụ bằng CH3 trong 120 giờ ở điều kiện tối ưu ............................................................................... 56 Hình 28. Ảnh hiển vi điện tử quét hạt chitosan CH3 sau khi hấp phụ thành công thuốc nhuộm (tại các độ phóng đại khác nhau) ....................................................... 56 Hình 29. Các chu kỳ hấp thụ - giải hấp phụ CL-5B................................................. 57 ĐẶT VẤN ĐỀ Chitin là một polysaccharide được tìm thấy phổ biến trong tự nhiên, chỉ đứng thứ hai sau cellulose, tập trung nhiều trong vỏ các loài giáp xác như tôm, cua cũng như trong bộ xương ngoài của động vật nổi gồm san hô, sứa, mai mực. Chitosan là sản phẩm deacetyl hóa (DD) chitin với các mức DD khác nhau. Giống như chitin, chitosan có một số tính chất đáng quan tâm như phân hủy sinh học, tương hợp sinh học và đặc biệt là không độc đối với con người và môi trường. Song khác với chitin, nó có thể hòa tan tốt trong các dung dịch axit loãng, giúp dễ dàng áp dụng hơn. Điều này làm cho nó trở thành vật liệu tiềm năng có thể ứng dụng trong nhiều ngành khác nhau từ nông nghiệp, công nghiệp thực phẩm, đến y tế và môi trường. Trong những năm gần đây, cùng với việc tìm ra những ứng dụng mới của chitin, chitosan và dẫn xuất, việc sản xuất và tiêu thụ các sản phẩm nguồn gốc chitin, chitosan không ngừng gia tăng. Điều này giúp hạn chế ô nhiễm từ ngành công nghiệp thực phẩm, do chất thải từ vỏ tôm, cua, mai mực có thể được tận dụng để sản xuất chitosan, quá trình này cũng rất khả thi về mặt kinh tế nêu tận dụng được lượng protein và caroteniods. Bên cạnh việc hạn chế ô nhiễm từ vỏ động vật giáp xác, trong lĩnh vực môi trường, chitosan còn có thể được tận dụng làm vật liệu hấp phụ để loại bỏ các kim loại nặng và hợp chất ô nhiễm hữu cơ khác nhờ sự có mặt của các nhóm chức linh động amino và hydroxyl trong mạch phân tử của nó. Mặc dù, công nghiệp dệt liên tục đổi mới để hạn chế việc sử dụng nước cũng như giảm thiểu tác động đối với môi trường, do lượng nước thải quá lớn so với các ngành công nghiệp khác, ngành dệt may đã gây ra nhiều vấn đề nghiêm trọng đối với nguồn nước, đặc biệt là ở các quốc gia đang phát triển như Việt Nam [ 6]. Nước thải ngành dệt chứa nhiều loại chất ô nhiễm khác nhau, song các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng, chất nhuộm là nguồn chính gây ô nhiễm nguồn nước. Đa phần các chất nhuộm đều là các hợp chất hữu cơ độc hại, gần như không phân hủy sinh học. Sau khi đi vào môi trường, chúng sẽ tồn tài rất lâu hoặc chỉ phân hủy một phần thành các tác nhân gây đột biến đối với sinh vật thủy sinh, gây ung thư đối với 1 người và động vật [1], vì vậy việc loại bỏ chất màu khỏi nước thải dệt nhuộm đã và đang là vấn đề rất đáng quan tâm. Cho đến nay, nhiều phương pháp xử lý loại bỏ chất mầu khỏi nước thải dệt nhuộm nhưng chưa có một phương pháp nào thực sự hữu hiệu đối với các thuốc nhuộm hoạt tính 2. Phương pháp hấp phụ sử dụng các vật liệu hấp phụ khác nhau đã được nghiên cứu rộng rãi trong việc loại bỏ một số chất nhuộm hoạt tính khỏi nước thải công nghiệp dệt và gần đây nhiều vật liệu hấp phụ nguồn gốc tự nhiên như xơ dừa, mạt cưa, chitosan đã được chứng minh là có hiệu quả mà không gây ra bất kỳ hiệu quả xấu nào khác đối với môi trường. Gần đây, chiếu xạ đã được xem như một công cụ hiệu quả để gây cắt mạch, khâu mạch, hoặc ghép mạch với các monome chức năng qua đó sửa đổi đặc tính của nhiều loại polymer khác nhau. Trong chương trình hợp tác với cơ quan Năng lượng nguyên tử Nhật Bản, nhóm nghiên cứu thuộc Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam đã áp dụng xử lý chiếu xạ để chế tạo một số vật liệu khâu mạch từ tinh bột, carboxymethyl chitosan, polylactide, carboxymethyl tinh bột, PVA. Kết quả đã tạo được vật liệu khâu mạch có khả năng hấp phụ các hợp chất phenol 3.. Mặc dù chitosan là hợp chất polysaccharide có xu hướng phân hủy khi chiếu xạ, việc sử dụng một số chất khâu mạch phù hợp có thể giúp tạo cấu trúc khâu mạch bền trong hạt chitosan khâu mạch ion 19, qua đó làm tăng hiệu quả hấp phụ chất màu của nó. Để đánh giá khả năng tận dụng chitosan từ vỏ tôm làm vật liệu xử lý nước thải ô nhiễm màu, chúng tôi đã tiến hành đề tài: “Nghiên cứu hấp phụ thuốc nhuộm Drimaren Red CL5B trong nƣớc thải ngành dệt nhuộm bằng chitosan khâu mạch bức xạ” Nghiên cứu này nhằm điều chế chitosan có mức DD khoảng 70% từ vỏ tôm trong phòng thí nghiêm, từ đó tạo các hạt chitosan khâu mạch bức xạ với sự có mặt của triallyl isocyanurate (TAIC) làm chất khâu mạch và đánh giá khả năng hấp phụ của chúng đối với Drimaren Red CL-5B, một loại thuốc nhuộm hoạt tính thường dùng trong ngành dệt, trong môi trường nước thải giả định. Các nội dung chính bao gồm: - Điều chế chitosan từ vỏ tôm trong điều kiện phòng thí nghiệm. 2 - Thiết lập điều kiện tối ưu để tạo hạt chitosan khâu mạch ion có và không chứa TAIC. - Nâng cao tính bền của hạt chitosan bằng xử lý chiếu xạ khâu mạch với các liều chiếu khác nhau. - Đánh giá khả năng hấp phụ của chitosan khâu mạch đối với Drimaren Red. Ý nghĩa khoa học của Đề tài: Nghiên cứu này áp dụng công nghệ bức xạ, một công nghệ mới, hiện đại, thân thiện môi trường tạo vật liệu hấp phụ từ chitosan có độ DD thấp nhằm khử mầu thuốc nhuộm hoạt tính. Phương pháp khâu mạch bức xạ giúp hạn chế việc sử dụng các chất khâu mạch hóa học có độc tính cao như epichlohydrin, glutaraldehyde..v..v.. mà vẫn tạo được hạt chitosan khâu mạch có độ bền cải thiện. Ý nghĩa thực tiễn của Đề tài: Ngoài việc thúc đẩy việc áp dụng công nghệ bức xạ tạo vật liệu có tính năng mới, kết quả nghiên cứu có thể áp dụng để sản xuất vật liệu hấp phụ bền từ vỏ tôm (chất thải công nghiệp chế biến thực phẩm). Các nghiên cứu về hấp phụ chất nhuộm hoạt tính có thể phát triển để xử lý nhiều loại chất màu “cứng đầu” khác có trong nước thải ngành dệt. 3 CHƢƠNG I. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. SỰ PHÁT TRIỂN NGÀNH TÔM VÀ HỆ LỤY Ô NHIỄM TỪ VỎ TÔM Thủy hải sản đóng một vai trò rất quan trọng trong cơ cấu hàng xuất khẩu của Việt Nam. Năm 2011 ngành thủy sản đã xuất khẩu và thu được 6,1 tỷ USD, trong đó tôm chiếm hơn 2,4 tỷ USD Error! Reference source not found.. Khối lượng xuất khẩu tôm hàng năm đã đạt khoảng 270.000 tấn, diện tích nuôi tôm công nghiệp được mở rộng lên 3.307 ha, tăng gần gấp đôi so với năm 2010 (thêm 1.556 ha), diện tích nuôi tôm quảng canh cải tiến tăng lên 10.000 ha, thêm khoảng 6.500 ha so với năm 2010 45]. Hình 1. Chế biến tôm và vỏ tôm thải ra từ công nghiệp chế biến tôm Theo các báo cáo từ Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn, sản phẩm tôm đông lạnh chiếm tỷ trọng lớn nhất trong cơ cấu hàng thủy hải sản xuất khẩu của nước ta, tương ứng với nó là khối lượng chất thải khổng lồ còn lại sau quá trình chế biến gồm chủ yếu là đầu và vỏ tôm [48, 49]. Lượng chất hữu cơ dư thừa trong đầu và vỏ tôm nếu không được xử lý bằng các biện pháp thích hợp sẽ bị phân hủy dưới tác dụng của các vi khuẩn có trong môi trường và các enzym nội tại hình thành các hợp chất có mùi khó chịu như axit béo không no, mercaptan, CH4, H2S, indol, skatol, NH3, methylamin… gây ô nhiễm trầm trọng đối với nguồn nước cũng như không khí xung quanh cơ sở chế biến và bãi chứa chất thải 18. Phần chất thải rắn 4 còn lại đòi hỏi thời gian phân hủy lâu dài, lại tiếp tục gây những tác động không tốt đối với môi trường. Tại hầu hết các cơ sở chế biến thủy hải sản của chúng ta hiện nay, đầu và vỏ tôm sau khi chế biến được thải loại trực tiếp vào bãi rác mà không qua xử lý bổ sung hay tận dụng một cách hiệu quả. Tình trạng này đã gây ra sự lãng phí lớn nguồn protein và polysaccharide trong vỏ tôm, cũng như việc ô nhiễm nghiêm trọng đối với môi trường nước và không khí xung quanh các cơ sơ chế biến thủy hải sản. Yêu cầu cấp bách của các nhà quản lý cũng như các nhà khoa học trong lĩnh vực liên quan là làm thế nào để tận dụng hiệu quả lượng chất thải này, hạn chế gây ô nhiễm môi trường. Gần đây, một số công trình nghiên cứu đã 3.64 chỉ ra khả năng tận dụng chất thải từ chế 27.2 biến thủy hải sản làm thức ăn chăn nuôi hoặc phân bón sinh học 26. Người ta cũng biết rằng, vỏ tôm chứa 45.16 một lượng rất lớn chitin, trung bình khoảng 27,2% và có thể lên đến trên 30% như chỉ ra trên hình 2 28. Vỏ các loài giáp xác như tôm, cua, tôm hùm rất giàu chitin và là nguồn nguyên liệu đủ lớn để cung cấp cho ngành công nghiệp sản xuất chitin và chitosan thương mại. Theo nhiều nghiên cứu đã được công bố, vỏ 23 Chitin Protein Khoáng Nước và các chất khác Hình 2. Thành phần hóa học chính của vỏ tôm giáp xác chứa khoảng 30-40% protein, 30-50% khoáng calcium carbonate và một lượng lớn chitin. Tùy thuộc vào giống, điều kiện dinh dưỡng, mùa vụ đánh bắt mà thành phần chitin trong vỏ các loài giáp xác thay đổi từ 13-42%. Đây là một trong những polysacchride biển có tính tương hợp sinh học tốt và không độc. Thêm vào đó, các dẫn xuất của nó như chitosan có nhiều hoạt tính sinh học đặc biệt như tính kháng khuẩn, chống ôxy hóa nên đã được nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Như vậy, việc điều chế và sản xuất chitosan từ vỏ tôm sẽ góp phần tận dụng hiệu quả nguồn chất thải từ các cơ sở chế biến thủy hải sản, phát triển công 5 nghệ và tăng hiệu quả kinh tế cũng như hạn chế ô nhiễm, đồng thời thúc đẩy việc nghiên cứu và ứng dụng các sản phẩm từ chitin, chitosan ở Việt Nam. 2. CHITIN, CHITOSAN VÀ CÁC ỨNG DỤNG 2.1 Nguồn gốc, công thức và cấu trúc của chitosan Chitin là một polysaccharide bắt gặp phổ biến trong tự nhiên với sản lượng rất lớn, đứng thứ hai chỉ sau cellulose, nó tập trung nhiều trong bộ xương ngoài của một số động vật, vỏ các loài giáp xác, sinh khối nấm mốc..v..v.. Polyme tự nhiên này có cấu trúc gồm các đơn vị N-acetyl-glucosamine liên kết chặt chẽ với nhau thông qua liên kết glycoside, giúp cho nó có cấu trúc cứng và bền hơn cả cellulose. Như có thể thấy trên hình 3, với cấu trúc bán tinh thể và liên kết hydrogen doãng rộng, mật độ năng lượng bám dính cao nên chitin không tan trong hầu hết các dung môi thông thường 31. Hình ảnh hiển vi điện tử quét cũng cho thấy cấu trúc bề mặt khá chặt chẽ, phẳng lỳ của chitin. Kết quả là chitin rất khó tham gia vào các phản ứng hóa học, làm cho việc ứng dụng nó bị hạn chế đáng kể. Chính vì vậy, nhiều nghiên cứu tạo ra các dẫn xuất có khả năng hòa tan tốt hơn từ chitin đã được thực hiện trong những thập kỷ qua. CELLULOSE Hình 3. Cấu trúc phân tử của chitin, chitosan và cellulose [21] 6 Chitosan – một sản phẩm deaxetyl hóa (DD) của chitin, là một trong những dẫn xuất quan trọng, vì khả năng tan tốt của nó trong các dung dịch axit loãng, cũng như có một số hoạt tính sinh học đáng quan tâm khác ngoài khả năng phân hủy, tương hợp sinh học và không độc giống như chitin. 2.2 Tính chất hóa học và khả năng ứng dụng của chitin/chitosan và dẫn xuất Chitosan thường đạt được thông qua phản ứng khử acetyl, chuyển nhóm N-axetyl tại vị trí C2 của chitin thành nhóm amin (NH2). Theo quy ước, nếu trong cấu trúc phân tử chitin/chitosan, các đơn vị N – axetyl – D – glucosamin chiếm tỷ lệ lớn, nghĩa là mức acetyl hóa (Degree of acetylation DA) trên 50%, thì gọi là chitin; còn ngược lại (DA ≤ 50%) được gọi là chitosan 13. Trong thực tế, người ta thường sử dụng chitosan có mức DD trên 65%. Là một chất rắn, xốp, nhẹ, có dạng vảy ở điều kiện thường và có thể nghiền thành bột mịn với kích cỡ khác nhau. Chitosan thường có màu trắng hay vàng nhạt, không mùi vị, không tan trong nước hay dung dịch kiềm và acid đậm đặc nhưng tan trong acid loãng (pH=6). Về mặt cấu trúc hóa học, chitosan là một copolymer mạch thẳng gồm rất nhiều đơn vị cấu trúc glucosamine và N-acetyl-D-glucosamine liên kết với nhau thông qua liên kết β(14) glycoside. Với cấu trúc đa điện tích dương, chitosan trở thành dạng proton mang điện tích dương trong môi trường pH thấp, giúp nó dễ dàng hòa tan. Mặt khác, khi pH tăng trên 6, các đơn vị glucosamine của chitosan bị khử proton làm cho polyme bị mất điện tích dương và trở nên không tan. Chitosan có khả năng tạo thành dung dịch keo trong, tạo màng bọc. Hai đặc tính cơ bản của chitosan là mức DD và độ dài mạch phân tử của nó, các đặc tính quan trọng này sẽ quyết định tính tan, độ kết tinh, tính bền nhiệt, hoạt tính sinh học và khả năng ứng dụng của chitosan. Phụ thuộc vào nguồn gốc và quá trình điều chế. Các sản phẩm chitosan thương mại có trên thị trường thường có nhiệt độ nóng chảy dao động từ 309 - 311C và trọng lượng phân tử trung bình từ 100 - 1.200 kDa. 7 Với trọng lượng phân tử và DD nằm trong một khoảng biến thiên lớn, chitosan đã được ứng dụng cho nhiều lĩnh vực khác nhau. Người ta nhận ra rằng, khả năng ứng dụng của chitosan phụ thuộc rất nhiều vào khoảng trọng lượng phân tử trung bình của nó. Các nghiên cứu gần đây cũng cho thấy khả năng ứng dụng của các oligo-chitosan cũng như dẫn xuất khác của nó, đặc biệt là các Vỏ tôm, cua dẫn xuất N-ankyl, N-carboxyankyl, O-ankyl và Rửa và sấy khô O-carboxyankyl chitosan. 2.3 Quy trình sản xuất chitin/chitosan Trong nhiều năm qua, nhiều quy trình sản xuất Nghiền và lọc chitin/chitosan từ các nguồn khác nhau đã được nghiên cứu và áp dụng. Có thể thấy rằng, tính chất của sản phẩm chitin và chitosan phụ thuộc rất nhiều vào loại nguyên liệu ban đầu và phương pháp sản xuất. Như vậy mối quan hệ giữa các Loại bỏ protein Rửa Khử khoáng điều kiện xử lý và đặc tính của các sản phẩm phải được giám sát liên tục để đạt được dạng sản Rửa phẩm có chất lượng phù hợp và đồng nhất. Ngay từ giữa thế kỷ trước, Hackman đã đưa ra phương Khử màu pháp điều chế chitin từ vỏ tôm, cho đến nay phương pháp này đã được sửa đổi và một số phương pháp mới đã được áp dụng [21, 25]. Về nguyên lý, quy trình điều chế chitin từ vỏ các loại giáp xác gồm 3 bước cơ bản: loại bỏ và tận dụng Rửa, sấy Deacetyl hóa chitin Rửa, sấy protein (Deproteinization), loại bỏ các muối calcium carbonate và phosphat calcium (Demineralization) và loại bỏ các sắc tố Chitosan thành phẩm (Decoloration). Hai bước đầu có thể hoán đổi cho nhau, nghĩa là khử khoáng rồi mới khử protein. Hình 4. Quy trình điều chế chitosan từ vỏ giáp xác 8 Tuy nhiên, nếu muốn tận thu nguồn protein thì phải tách chiết protein trước khi khử khoáng để thu được sản lượng protein có chất lượng. Hình 4 trình bày các bước chính trong quá trình điều chế chitin và chitosan. Các bước này có thể điều chỉnh ít nhiều để phù hợp với việc sản xuất trên quy mô công nghiệp 2.3.1 Quá trình loại bỏ protein Trong tự nhiên, chitin thường liên kết với protein. Một vài protein có thể tách ra bằng các phương pháp đơn giản, nhưng đa phần các protein khác không thể chiết ra bởi chúng được liên kết chặt chẽ với chitin qua các liên kết đồng hóa trị với aspartyl và histidyl để hình thành một cấu trúc ổn định giống như glycoprotein. Vì thế vỏ tôm, cua thường được nghiền và xử lý bằng dung dịch kiềm loãng (NaOH 1-10%) ở nhiệt độ cao 65-100°C để hòa tan protein. Thời gian tiến hành phản ứng thường từ 0,5 – 6 giờ tùy từng phương pháp sử dụng. Xử lý bằng kiềm kéo dài trong những điều kiện khắt khe có thể làm phân hủy và deacetyl hóa polyme hình thành. Quá trình loại bỏ protein tối ưu cũng có thể đạt được bằng cách xử lý với dung dịch potassium hydroxide KOH loãng. Xử lý bằng enzym cũng có thể áp dụng thay thế cho xử lý bằng dung dịch kiềm ở nhiệt độ cao. Khi thu hồi protein, giá trị pH của dung dịch giảm xuống đến điểm đẳng điện của protein để kết tủa. Các protein thu hồi có thể được dùng như chất phụ gia cao cấp cho thức ăn gia súc. 2.3.2 Quá trình khử khoáng Sự khử khoáng thường được tiến hành bằng dung dịch acid HCl (≥ 10%) ở nhiệt độ phòng để hòa tan CaCO3 thành CaCl2. Có thể dùng HCl nồng độ cao hoặc acid formic 90% để khử khoáng. Thường thì nồng độ chất tro sau khử khoáng đánh giá hiệu quả của quá trình thường là 31-36%. Một số acid khác như acid sulfurous, acid acetic cũng có thể dùng để khử khoáng, nhưng sử dụng acid mạnh có thể gây khử polyme hóa và deacetyl hóa chitin sinh ra. Trong suốt quá trình khử khoáng có hiện tượng không mong muốn là hình thành bọt khí rất mạnh do phản ứng: CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + CO2↑ + H2O (1.1) Để điều khiển và làm giảm bọt có thể bổ sung chất phá bọt silicon polymer 10% mà không dùng chất tạo huyền phù. 9 2.3.3 Quá trình khử màu Bởi vì các sắc tố trong vỏ giáp xác tạo phức với chitin, cần phải khử màu, tẩy trắng chitin thành sản phẩm dạng bột trắng. Có thể dùng acid hoặc kiềm để khử màu chitin. Nghiên cứu cho rằng đồng phân 4-ceton, 4,4’ dicetone-β-carotene liên kết chặt chẽ với chitin ở ngoài vỏ của cua. Và mức độ liên kết này thay đổi giữa các loài. Trong quá tình khử màu cần chú ý là những chất hóa học không được làm ảnh hưởng đến tính chất vật lý, hóa học của chitin và chitosan. 2.3.4 Deacetyl chitin trong sản xuất chitosan Deacetyl là quá trình chuyển chitin thành chitosan bằng cách khử nhóm acetyl. Thường được tiến hành bằng xử lý KOH hoặc NaOH 40-50% ở nhiệt độ trên 100°C trong 30 phút hoặc lâu hơn để khử một phần hoặc hoàn toàn nhóm acetyl khỏi polymer đó. Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng chitosan thành phẩm do đó phải đảm bảo điều kiện phù hợp nhất. Trong quá trình deacetyl hóa, các điều kiện cần thiết sẽ là khử hóa acetyl đủ để hình thành chitosan hòa tan trong acid acetic loãng, mà không làm phân hủy chúng. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sản xuất chitosan gồm: - Nhiệt độ: Nhiệt độ cao sẽ làm tăng mức độ deacetyl hóa nhưng lại làm giảm kích thước phân tử. - Thời gian deacetyl hóa và nồng độ kiềm: Nghiên cứu chỉ ra rằng quá trình deacetyl sẽ diễn ra nhanh hơn trong 1 giờ đầu ở dung dịch NaOH 50% tại 100°C. Tuy nhiên sau đó quá trình phản ứng sẽ từ từ lên đến 78% trong 5 giờ. Do đó, xử lý bằng kiềm hơn 2 giờ sẽ không deacetyl hóa chitin một cách đáng kể, mà còn phân hủy các chuỗi phân tử. Khi nồng độ kiềm giảm thì tốc độ giảm, độ nhớt cũng như khối lượng phân tử chậm lại. Tuy nhiên, nếu điều kiện xử lý quá nhẹ, thì sản phẩm chitosan hình thành sẽ không tan trong acid yếu. 2.4 Ứng dụng chitosan trong xử lý làm sạch môi trƣờng Chitosan có rất nhiều ứng dụng trong xử lý môi trường như: loại bỏ kim loại nặng, chất ô nhiễm hữu cơ bằng cách tạo keo tụ hoặc tạo phức không tan với chúng, bắt giữ thu hồi các kim loại quý, chất thải phóng xạ (Uranium, Cadimium). Đó là các ứng dụng rộng rãi và có giá trị kinh tế nhất của chitosan. 10 Trong phân tử của chitosan có chứa các nhóm chức với các nguyên tử oxi và nitơ còn cặp electron chưa sử dụng. Chúng có khả năng tạo phức với hầu hết các kim loại nặng và các kim loại chuyển tiếp như: Hg2+, Cd2+, Zn2+, Cu2+, Ni2+… giúp tách các kim loại nặng ra khỏi môi trường nước một cách dễ dàng hơn. Khả năng tạo phức này của chitosan đã được gia tăng đáng kể khi khâu mạch thành vật liệu gel ưa nước 40. Các dẫn xuất hòa tan trong nước như N(o-carboxybenzyl) chitosan, Ncarboxymethyl chitosan đã được sử dụng để thu hồi một số kim loại quý 28. Trong dung dịch axit, các nhóm amin trong phân tử chitosan cũng bị proton hóa (protonation), để trở nên dễ dàng hấp phụ một số hợp chất phenol, chất nhuộm kiềm. Một ứng dụng lớn khác của chitosan và dẫn xuất là làm giảm độ đục của nước thải từ ngành công nghiệp thực phẩm, ứng dụng này dựa vào khả năng kết tụ của chúng với các hợp chất hữu cơ. Nguồn nước thải từ các nhà máy chế biến thực phẩm chứa một lượng lớn protein, chitosan có thể giữ lại phần lớn lượng đạm này và sau khi qua một số công đoạn sấy, tiệt trùng, lượng protein này lại có thể được dùng làm thức ăn bổ sung cho gia súc 16. Ngoài ra, chitosan còn chứng tỏ khả năng điều hòa bùn rất tốt, cả bùn thải ra từ quá trình xử lý nước thải sinh hoạt lẫn công nghiệp, giúp bùn phân hủy sinh học nhanh chóng trong môi trường đất và giảm chi phí khi thực hiện tách nước ra khỏi bùn bằng phương pháp ly tâm 18. 2.5 Ứng dụng trong xử lý nƣớc thải ngành dệt Quá trình hấp phụ thuốc nhuộm lên chitosan là quá trình tỏa nhiệt và sự gia tăng nhiệt độ làm tăng tốc độ hấp phụ nhưng lại làm giảm khả năng hấp phụ. Tuy nhiên, lượng thuốc nhuộm thường chiếm hàm lượng rất thấp trong nước thải ngành dệt, nên sự thay đổi nhiệt độ không ảnh hưởng đáng kể đến quá trình hấp phụ chất nhuộm màu 8. Các vật liệu hydrogel nguồn gốc chitosan đã được sử dụng để xử lý nước thải ô nhiễm màu từ các nhà máy dệt nhuộm. Các nghiên cứu của Chiou và cộng sự đã chỉ ra rằng chitosan khâu mạch có khả năng hấp phụ thuốc nhuộm bản chất kiềm cao hơn nhiều so với chitosan không khâu mạch. Nguyên nhân là nhóm (NH2) trong phân tử chitosan khâu mạch dễ bị proton hóa bởi acid môi trường hơn và là tâm hấp phụ với thuốc nhuộm kiềm. Dung 11