Đăng ký Đăng nhập
Trang chủ Giáo dục - Đào tạo Cao đẳng - Đại học Khóa luận nghiên cứu hấp phụ ion cu2+ trong dung dịch nước bằng vật liệu hấp phụ...

Tài liệu Khóa luận nghiên cứu hấp phụ ion cu2+ trong dung dịch nước bằng vật liệu hấp phụ chitosan, axit humic và tổ hợp chitosan, axit humic

.PDF
79
131
56

Mô tả:

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM Độc lập – tự do – hạnh phúc KHOA HÓA ------ NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên : Phạm Thị Gái Lớp : 14CHP Tên đề tài: “Nghiên cứu hấp phụ ion Cu2+ trong dung dịch nƣớc bằng vật liệu hấp phụ chitosan, axit humic và tổ hợp chitosan/axit humic” 1. Nguyên liệu, dụng cụ và thiết bị  Nguyên liệu: Vỏ tôm sạch và than bùn  Dụng cụ: dụng cụ thủy tinh, tủ sấy, lò nung, cân phân tích, bếp cách thủy,…  Thiết bị : đo phổ IR, đo phân tích nhiệt TG/DTA 2. Nội dung nghiên cứu  Xử lý nguyên liệu vỏ tôm sạch để được chitosan  Xử lý nguyên liệu than bùn để được axit humic sau khi tinh chế  Tạo ra vật liệu hấp phụ tổ hợp chitosan/ axit humic  Xác định các đặc tính hóa lý, điểm đẳng điện của các vật liệu hấp phụ  Hấp phụ bể đối với ion Cu2+ của chitosan, axit humic, chitosan/ axit humic - Nghiên cứu đẳng nhiệt - Tải trọng hấp phụ cực đại - Ảnh hưởng của lực ion 3. Giáo viên hướng dẫn: TS. Trần Mạnh Lục 4. Ngày giao đề tài: 03/7/2017 5. Ngày hoàn thành: 20/4/2018 Chủ nhiệm khoa Giáo viên hướng dẫn ( Ký và ghi rõ họ tên) ( Ký và ghi rõ họ và tên) PGS.TS. Lê Tự Hải TS. Trần Mạnh Lục Sinh viên đã hoàn thành và nộp báo cáo cho khoa ngày 27 tháng 4 năm 2018 Kết quả điểm đánh giá: Ngày……tháng……năm 2018 CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG ( Ký và ghi rõ họ tên) LỜI CẢM ƠN Sau hơn hai tháng thực hiện luận văn tốt nghiệp, em đã học hỏi được nhiều điều kiến thức về lĩnh vực mà em nghiên cứu. Để hoàn thành khóa luận này, em xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy Trần Mạnh Lục đã tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình nghiên cứu và viết Báo cáo của Tốt Nghiệp. Em chân thành cảm ơn quý thầy cô trong khoa Hóa, Trường Đại Học Sư Phạm Đà Nẵng đã tận tình truyền đạt những kiến thức trong 4 năm em học tập. Với những kiến thức được tiếp thu và học hỏi trong quá tình học không chỉ là nền tảng cho quá trình nghiên cứu khóa luận mà còn là hành trang cho em để em bước vào xã hội một cách vững chắc và đầy tự tin. Trong quá trình nghiên cứu và báo cáo khóa luận, khó tránh khỏi sai sót, rất mong các thầy cô bỏ qua. Đồng thời, do trình độ lý luận cũng như kinh nghiệm làm nghiên cứu còn hạn chế nên bài báo cáo không thể tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được ý kiến đóng góp thầy cô để em học hỏi thêm được nhiều kinh nghiệm hơn. Em xin chân thành cảm ơn! Đà Nẵng, ngày 23 tháng 4 năm 2018 Sinh viên PHẠM THỊ GÁI MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC HÌNH DANH MỤC CÁC BẢNG MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 1. Đặt vấn đề .................................................................................................................. 1 2. Mục tiêu nghiên cứu .................................................................................................. 2 3. Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu .......................................................... 2 4. Nội dung nghiên cứu ................................................................................................. 2 5. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................................... 2 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU....................................................................... 4 1.1. Tổng quan về chitin/chitosan .................................................................................. 4 1.1.1.Nguồn gốc và sự tồn tại của Chitin/chitosan trong tự nhiên ................................... 4 1.1.2.Công thức cấu tạo.................................................................................................... 5 1.1.2.1.Cấu trúc hóa học của chitin .................................................................................. 5 1.1.2.2.Cấu trúc hóa học của chitosan.............................................................................. 6 1.1.3. Tính chất vật lý của chitin/chitosan ...................................................................... 7 1.1.3.1.Tính chất vật lý của chitin .................................................................................... 7 1.1.3.2.Tính chất vật lý của chitosan................................................................................ 7 1.1.4.Tính chất hóa học của chitin/ chitosan .................................................................... 8 1.1.4.1.Tính chất hóa học của chitin ................................................................................ 8 1.1.4.2.Tính chất hóa học của chitosan ............................................................................ 8 1.1.5.Tính chất sinh học ................................................................................................. 10 1.1.6.Ưu, nhược điểm của chitin/chitoan ....................................................................... 11 1.1.7.Nguyên tắc điều chế chitin/ chitosan .................................................................... 12 1.1.7.1.Điều chế chitin từ vỏ tôm ................................................................................... 12 1.1.7.2.Quá trình điều chế chitosan ................................................................................ 13 1.1.8.Một số ứng dụng của chitosan .............................................................................. 13 1.1.8.1.Ứng dụng chitosan trong ngành công nghệ thực phẩm ..................................... 13 1.1.8.2.Ứng dụng chitosan trong y dược: ....................................................................... 13 1.1.8.3.Ứng dụng chitosan trong công nghiệp ............................................................... 14 1.1.8.4.Ứng dụng chitosan trong nông nghiệp ............................................................... 14 1.1.8.5.Ứng dụng chitosan trong công nghệ in ấn và trong phim ảnh ........................... 14 1.2. Tổng quan về axit humic ....................................................................................... 14 1.2.1.Sự hình thành axit humic ...................................................................................... 14 1.2.2.Đặc điểm của axit humic ....................................................................................... 15 1.2.3.Thành phần nguyên tố của axit humic .................................................................. 15 1.2.4.Cấu tạo của axit humic .......................................................................................... 15 1.2.5.Bản chất tương tác của axit humic với ion kim loại trong dung dịch nước .......... 17 1.2.6.Ứng dụng của axit humic trong nông nghiệp và môi trường ................................ 18 1.3. Giới thiệu về Đồng ................................................................................................. 19 1.3.1.Nguồn gốc và Đồng trong nước ............................................................................ 19 1.3.2.Hàm lượng đồng trong nước thiên nhiên và nước thải ......................................... 19 1.3.3.Tính độc hại........................................................................................................... 20 1.3.4.Nồng độ đồng cho phép ........................................................................................ 20 1.3.5.Đồng trong đất, phân vi lượng đồng ..................................................................... 21 1.4. Phƣơng pháp hấp phụ ........................................................................................... 21 1.4.1.Giới thiệu chung về phương pháp hấp phụ ........................................................... 21 1.4.2.Khái niệm về sự hấp phụ ....................................................................................... 22 1.4.3.Cơ sở lý thuyết của quá tình hấp phụ trong môi trường nước .............................. 22 1.4.4.Phương trình mô tả quá trình hấp phụ .................................................................. 23 1.4.4.1.Phương trình hấp phụ Freundlich....................................................................... 23 1.4.4.2.Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir ...................................................... 25 CHƢƠNG 2: NGUYÊN LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .................. 27 2.1. Nguyên liệu ............................................................................................................. 27 2.2. Dụng cụ, thiết bị và hóa chất ................................................................................ 27 2.2.1.Dụng cụ, thiết bị .................................................................................................... 27 2.2.2.Hóa chất ................................................................................................................ 27 2.3. Điều chế vật liệu ..................................................................................................... 27 2.3.1.Điều chế chitin từ vỏ tôm ...................................................................................... 27 2.3.2.Điều chế chitosan từ vỏ chitin ............................................................................... 28 2.3.3.Điều chế axit humic .............................................................................................. 28 2.3.4.Điều chế tổ hợp chitosan- axit humic ................................................................... 28 2.4. Đặc tính hóa lý của vật liệu hấp phụ.................................................................... 29 2.4.1.Xác định độ ẩm, độ tro .......................................................................................... 29 2.4.1.1.Xác định độ ẩm không khí ................................................................................. 29 2.4.1.2.Xác định hàm lượng tro ..................................................................................... 30 2.4.2.Điểm đẳng điện của vật liệu hấp phụ .................................................................... 30 2.4.3.Phổ hồng ngoại, phổ phân tích nhiệt DTA/TG ..................................................... 31 2.5. Nghiên cứu khả năng hấp phụ ion Cu2+ trong nƣớc của vật liệu hấp phụ bằng phƣơng pháp hấp phụ bể ............................................................................................. 31 2.5.1.Nghiên cứu đẳng nhiệt .......................................................................................... 31 2.5.2.Xác định tải trọng hấp phụ cực đại ....................................................................... 32 2.5.3.Ảnh hưởng của lực ion .......................................................................................... 33 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ................................................................. 35 3.1. Kết quả điều chế vật liệu hấp phụ ........................................................................ 35 3.1.1.Kết quả điều chế chitin .......................................................................................... 35 3.1.2.Kết quả điều chế chitosan ..................................................................................... 37 3.1.3.Kết quả nghiên cứu điều chế axit humic từ than bùn ............................................ 38 3.1.4.Kết quả nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ hợp chitosan- axit humic ......................... 39 3.2. Đặc tính hóa lý của vật liệu hấp phụ.................................................................... 41 3.2.1.Xác định độ ẩm ..................................................................................................... 41 3.2.2.Xác định độ tro ...................................................................................................... 41 3.2.3.Kết quả khảo sát điểm đẳng điện của vật liệu hấp phụ ......................................... 42 3.2.4.Phổ hồng ngoại, phổ phân tích nhiệt DTA/TG ..................................................... 43 3.3. Kết quả nghiên cứu khả năng hấp phụ ion Cu2+ trong nƣớc của vật liệu hấp phụ bằng phƣơng pháp hấp phụ bể............................................................................ 45 3.3.1.Kết quả nghiên cứu đẳng nhiệt hấp phụ ................................................................ 46 3.3.1.1.Kết quả nghiên cứu đẳng nhiệt hấp phụ của chitosan ........................................ 46 3.3.1.2.Kết quả nghiên cứu đẳng nhiệt hấp phụ của axit humic .................................... 48 3.3.1.3.Kết quả nghiên cứu đẳng nhiệt hấp phụ của chitosan/axit humic ...................... 50 3.3.1.4.Tải trọng hấp phụ cực đại của chitosan .............................................................. 53 3.3.1.5.Tải trọng hấp phụ cực đại của axit humic .......................................................... 54 3.3.1.6.Tải trọng hấp phụ cực đại của chitosan/ axit humic .......................................... 56 3.3.4.Kết quả ảnh hưởng của lực ion ............................................................................. 58 3.3.4.1.Ảnh hưởng của lực ion NaCl ............................................................................. 58 3.3.4.2.Ảnh hưởng của lực ion Na2CO3 ......................................................................... 59 3.3.4.3.Ảnh hưởng của lực ion Na3PO4 ......................................................................... 60 3.3.4.4.Ảnh hưởng của lực ion MgCl2 ........................................................................... 61 3.3.4.5.Ảnh hưởng của lực ion CaCl2 ............................................................................ 62 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................... 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 66 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT DTA/ TG : Phân tích nhiệt trọng lượng vi sai ( Diffenetial Thermal IR : Phổ hồng ngoại ( Infrared) VLHP : Vật liệu hấp phụ Analysis) DANH MỤC CÁC HÌNH STT 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14 3.15 3.16 3.17 3.18 3.19 3.20 3.21 3.22 3.23 3.24 Tên hình Công thức cấu tạo của chitin Công thức cấu tạo của chitosan Công thức phức của chitin/ chitosan với kim loại Ni2+ Công thức phân tử của axit humic Đường đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir Sơ đồ quá trình điều chế chitin Hình ảnh của vỏ tôm sạch Chitin thu được từ vỏ tôm Sơ đồ quá trình điều chế chitosan từ chitin Chitin Chitosan thu được Sơ đồ quá trình điều chế axit humic từ than bùn Axit humic thu được Sơ đồ điều chế vật liệu hấp phụ chitosan/ axit humic Vật liệu hấp phụ chitosan/axit humic tỉ lệ 0,5 : 2 Đồ thị xác định điểm đẳng điện của các vật liệu hấp phụ Phổ IR của vật liệu hấp phụ chitosan/ axit humic Phổ TG/ DTA của vật liệu hấp phụ chitosan/ axit humic Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng lượng chất hấp phụ đến tải trọng hấp phụ của Cu2+ bằng chitosan Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng lượng chất hấp phụ đến hiệu suất hấp phụ của Cu2+ bằng chitosan Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng lượng chất hấp phụ đến tải trọng hấp phụ của Cu2+ bằng axit humic Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng lượng chất hấp phụ đến hiệu suất hấp phụ của Cu2+ bằng axit humic Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng lượng chất hấp phụ đến tải trọng hấp phụ của Cu2+ bằng chitosan/ axit humic Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng lượng chất hấp phụ đến hiệu suất hấp phụ của Cu2+ bằng chitosan/ axit humic Dạng tuyến tính phương trình Langmuir của chitosan Dạng tuyến tính phương trình Freundlich của chitosan Dạng tuyến tính phương trình Langmuir của axit humic Dạng tuyến tính phương trình Freundlich của axit humic Dạng tuyến tính phương trình Langmuir của chitosan/ Trang 5 6 10 16 24 26 35 36 36 37 37 37 38 38 39 40 42 43 45 47 47 49 50 52 52 54 54 55 55 56 3.25 3.26 axit humic Dạng tuyến tính phương trình Freundlich của chitosan/ axit humic Ảnh hưởng của lực ion NaCl đến hấp phụ Cu2+ bằng 57 58 vật liệu hấp phụ 3.27 Ảnh hưởng của lực ion Na2CO3 đến hấp phụ Cu2+ bằng 59 vật liệu hấp phụ 3.28 Ảnh hưởng của lực ion Na3PO4 đến hấp phụ Cu2+ bằng 60 vật liệu hấp phụ 3.29 Ảnh hưởng của lực ion MgCl2 đến hấp phụ Cu2+ bằng 61 vật liệu hấp phụ 3.30 Ảnh hưởng của lực ion CaCl2 đến hấp phụ Cu2+ bằng vật liệu hấp phụ 62 DANH MỤC CÁC BẢNG STT Tên bảng Trang 2.1 3.1 3.2 Các tỉ lệ khối lượng chitosan và axit humic Kết quả điều chế chitin từ vỏ tôm Hiệu suất của quá trình điều chế chitosan từ chitin Khối lượng giữa chitosan và axit humic Kết quả hấp phụ dung dịch Cu2+ bằng chitosan/ axit humic Kết quả độ ẩm của các VLHP Kết quả độ tro của các VLHP Kết quả điểm đẳng điện Kết quả phân tích phổ IR Kết quả nghiên cứu đẳng nhiệt của chitosan Kết quả nghiên cứu đẳng nhiệt của axit humic Kết quả nghiên cứu đẳng nhiệt của chitosan/ axit humic Mô hình đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich của chitosan Mô hình đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich của axit humic Mô hình đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich của chitosan/ axit humic Ảnh hưởng của lực ion NaCl đến hấp phụ Cu2+ bằng vật liệu hấp phụ Ảnh hưởng của lực ion Na2CO3 đến hấp phụ Cu2+ bằng vật liệu hấp phụ Ảnh hưởng của lực ion Na3PO4 đến hấp phụ Cu2+ bằng vật liệu hấp phụ Ảnh hưởng của lực ion MgCl2 đến hấp phụ Cu2+ bằng vật liệu hấp phụ Ảnh hưởng của lực ion CaCl2 đến hấp phụ Cu2+ bằng vật liệu hấp phụ 29 35 38 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14 3.15 3.16 3.17 3.18 3.19 40 40 41 41 42 43 46 48 51 53 55 56 58 59 60 61 62 MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Chitin/ chitosan là một polysaccharide đứng thứ hai sau cellulose trong tự nhiên. Chitin/ chitosan hiện nay được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như: công nghiệp, y học, sản xuất mỹ phẩm, bảo quản nông sản, xử lý môi trường. Với khả năng ứng dụng đó nhiều nước trên thế giới và cả Việt Nam đã nghiên cứu và tách chiết chitin/ chitosan từ vỏ tôm, vỏ cua… Hiện nay, tôm là nguồn nguyên liệu thủy sản dồi dào của Việt Nam, chủ yếu là tôm đông lạnh để xuất khẩu. Năm 2017, sản lượng tôm thu hoạch là 195 nghìn tấn vói nhiều mục đích khác nhau. Trong đó, hàng năm các nhà máy chế biến thủy sản đã thải bỏ một lượng phế thải khổng lồ gồm vỏ và đầu tôm tạo ra. Nhưng chưa tận dụng để xử lý và ứng dụng trên quy mô lớn, cho nên đặt ra yêu cầu cấp bách cho ngành thủy sản là phải sử dụng hợp lý và hiệu quả cao trong phế liệu tôm do các nhà máy thủy sản tạo ra hàng ngày. Bên cạnh đó, Chitosan được điều chế từ vỏ tôm, mang lại hiệu quả kinh tế cao. Axit humic là một thành phần chính quan trọng trong chất mùn, than bùn. Trong những năm gần đây, người ta phát hiện nhiều đặc tính của axit humic. Axit humic có nhiều ứng dụng thực tiễn lớn trong nông nghiệp và còn tạo ra vật liệu hấp phụ các kim loại nặng nhằm xử lý ô nhiễm môi trường. Bên cạnh, Việt Nam có một lượng than bùn rất dồi dào, được phân bố khá rộng rãi trên khắp cả nước. Nên axit humic được lấy nguồn từ nguyên liệu có sẵn và rẻ tiền nhưng mang lại hiệu quả cao. Cùng với đó hiện trạng ô nhiễm các nguồn nước trên nước ta khá nghiêm trọng. Đó là tính cấp thiết và đáng quan trọng đối với nước ta. Vì vậy, trong luận văn tốt nghiệp này, chúng tôi chọn đề tài “ Nghiên cứu hấp phụ ion Cu2+ trong dung dịch nƣớc bằng vật liệu chitosan, axit humic và tổ hợp SVTH: Phạm Thị Gái Trang 1 chitosan/axit humic”. Kết quả nghiên cứu này nhằm tạo ra vật liệu hấp phụ để hấp phụ các kim loại nặng để giảm bớt nguồn ô nhiễm nước ở nước ta. 2. Mục tiêu nghiên cứu - Xác định các đặc tính hóa lý và điểm đẳng điện của chitosan, axit humic, và chitosan/axit humic. - Từ than bùn và vỏ tôm tạo ra vật liệu có khả năng hấp phụ các ion kim loại nặng Cu2+ làm cơ sở cho việc nghiên cứu xử lý ô nhiễm kim loại nặng đối với môi trường nước. - Từ chitosan và axit humic tạo ra vật liệu hấp phụ chitosan/ axit humic để xử lý ô nhiễm các kim loại nặng đối với môi trường nước. 3. Đối tƣợng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu - Than bùn nghiên cứu lấy từ vùng Liên Chiểu – Đà Nẵng. - Vỏ tôm nghiên cứu được cung cấp bởi Công ty CP xuất nhập khẩu thủy sản và thương mại Thuận Phước, quận Sơn Trà, TP.Đà Nẵng. - Vật liệu hấp phụ Cu2+ là chitosan tách từ vỏ tôm, axit humic tách từ than bùn và chitosan/axit humic. 4. Nội dung nghiên cứu - Xác định các đặc tính hóa lý và điểm đẳng điện của chitosan, axit humic và chitosan/axit humic. - Nghiên cứu khả năng hấp phụ Cu2+ trong nước của chitosan, axit humic và chitosan/axit humic bằng phương pháp hấp phụ bể. 5. Phƣơng pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu lý thuyết Thu thập, tổng hợp, phân tích các tài liệu, tư liệu, các công trình nghiên cứu về than bùn, axit humic, vỏ tôm, chitosan và khả năng ứng dụng. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm Phương pháp hóa lí: SVTH: Phạm Thị Gái Trang 2 - Các đặc trưng hóa lý của các sản phẩm được khảo sát bằng phương pháp ghi phổ hồng ngoại (IR), phương pháp phân tích nhiệt (DTA/TG) và điểm đẳng điện được khảo sát bằng phương pháp đo pH. - Các thông số của quá trình hấp phụ được xác định bằng phương pháp trọng lượng. Phương pháp toán học: - Khả năng hấp phụ được xác định xử lý bằng phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir. 6. Cấu trúc luận văn Luận văn bao gồm 68 trang, 20 bảng, 36 hình và 22 tài liệu tham khảo. Ngoài phần mở đầu, danh mục các bảng, hình, kết luận – kiến nghị, tài liệu tham khảo. Bố cục luận văn bao gồm: Chương 1. Tổng quan tài liệu ( 22 trang) Chương 2. Nguyên liệu và phương pháp nghiên cứu (8 trang) Chương 3. Kết quả và thảo luận ( 33 trang) SVTH: Phạm Thị Gái Trang 3 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. Tổng quan về chitin/chitosan 1.1.1. Nguồn gốc và sự tồn tại của Chitin/chitosan trong tự nhiên Về mặt lịch sử, Chitin được Braconnot nhà Khoa học tự nhiên người Pháp, được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1811 trong cặn dịch chiết của một loại nấm và đặt tên là “fungine” để ghi nhớ nguồn gốc tìm ra nó. Năm 1823 Odier phân lập được một chất từ bọ cánh cứng mà ông gọi là chitin hay “ chiton”, tiếng Hy Lạp có nghĩa là lớp vỏ giáp, nhưng ông không phát hiện ra sự có mặt của nitơ trong đó. Cuối cùng cả Odier và Braconnot đều cho rằng cấu trúc của chitin giống cấu trúc của cellulose.[20] Vào năm 1950, người ta đã sử dụng tia X để phân tích nằm nghiên cứu sâu hơn sự hiện diện của chitin trong nấm và thành tế bào. Trong động vật, chitin là một thành phần cấu trúc quan trọng của các vỏ một số động vật không xương sống như: côn trùng, nhuyễn thể, giáp xác và giun tròn. Trong động vật bậc cao monome của chitin là một thành phần chủ yếu trong mô da nó giúp cho sự tái tạo và gắn liền các vết thương ở da. Ngoài ra, trong thực vật chitin có ở thành tế bào nấm họ Zygenmycetas, các sinh khối nấm mốc, một số loại tảo… Chitin là một polysaccharide tồn tại trong tự nhiên với sản lượng rất lớn đứng thứ hai sau cellulose, hình thái tự nhiên ở dạng rắn. Do đó, các phương pháp nhận dạng chitin, xác định tính chất, và phương pháp hóa học để biến tính chitin cũng như việc sử dụng và lựa chọn các ứng dụng của chitin gặp nhiều khó khăn. [14] Còn chitosan chính là sản phẩm biến tính của chitin. Chitosan cũng được xem là một polymer tự nhiên quan trọng nhất. Với đặc tính có thể hòa tan tốt trong môi trường acid, chitosan được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như thực phẩm, mỹ phẩm, dược phẩm… Giống như cellulose, chitosan là một chất xơ, không giống chất xơ thực vật, chitosan có khả năng tạo màng , có các tính chất của cấu trúc quang học… SVTH: Phạm Thị Gái Trang 4 Chitosan là polymer không độc, có khả năng phân hủy sinh học và có tính tương thích về mặt sinh học. Trong nhiều năm qua, các polymer có nguồn gốc từ chitin đặc biệt là chitosan đã được chú ý đặc biệt như là một loại vật liệu mới có ứng dụng đặc biệt trong công nghiệp dược, y học, xử lý nước thải và trong công nghiệp thực phẩm như là tác nhân kết hợp, gel hóa, hay tác nhân ổn định…[8] Trong các loài thủy sản đặc biệt là trong vỏ tôm, cua, ghẹ, hàm lượng chitin – chitosan chiếm khá cao dao động từ 14 – 35% so với lượng trọng khô. Vì vậy, vỏ tôm, cua, ghẹ là nguồn nguyên liệu chính để sản xuất chitin – chitosan. 1.1.2. Công thức cấu tạo 1.1.2.1. Cấu trúc hóa học của chitin Chitin là một polysaccharide mạch thẳng, được tạo thành từ các đơn vị N-acetyD-glucosamine liên kết với nhau bởi liên kết β- (1-4) glucoside. Tên gọi của chitin: Poly(1-4)-2-acetamido-2deoxy-D-glucopyranose. Công thức cấu tạo chitin được thể hiện dưới hình sau: Hình 1.1. Công thức cấu tạo của chitin [ Nguồn Internet] Chitin có cấu trúc tinh thể rất chặt chẽ và đều đặn. Bằng phương pháp nhiễu xạ tia X, người ta có thể chứng minh được chitin tồn tại ở 3 dạng cấu hình: α, β, γ – chitin. Các dạng này của chitin chỉ do sự sắp xếp khác nhau về hướng của mỗi mắt xích (N-acetyl-D-glucosamin) trong mạch.Có thể biểu diễn mỗi mắt xích này bằng mũi tên chỉ nhóm –CH2OH, phần đuôi chỉ nhóm –NHCOCH3, thì các cấu trúc α, β, γ – chitin được mô tả như sau: α – chitin SVTH: Phạm Thị Gái β – chitin γ – chitin Trang 5 α – chitin là dạng phổ biến nhất trong tự nhiên, có cấu trúc các mạch được sắp xếp ngược chiều nhau đều đặn, nên ngoài liên kết hydro trong một lớp học và hệ chuỗi, nó còn có liên kết hydro giữa các lớp do các chuỗi thuộc lớp kề nhau nên rất bền vững. Do các mắt xích sắp xếp đảo chiều, xen kẽ thuận lợi về mặt không gian và năng lượng. [14] β, γ – chitin do mắt xích ghép với nhau theo kiểu song song (β – chitin) và hai song song một ngược chiều (γ – chitin), giữa các lớp không có loại liên kết hydro. Dạng β – chitin cũng có thể chuyển sang dạng α – chitin nhờ quá trình acetyl hóa cho cấu trúc tinh thể bền vững hơn.[14] 1.1.2.2. Cấu trúc hóa học của chitosan Chitosan là dẫn xuất đề acetyl hóa của chitin, trong đó nhóm (– NH2) thay thế nhóm (–COCH3) ở vị trí C (2). Chitosan được cấu tạo từ các mắt xích D-glucosamine liên kết với nhau bởi các liên kết β- (1-4) glucoside, do vậy chitosan có thể gọi là poly β- (1-4)-2-amino-2-deoxi-D-glucose hoặc là poly β-(1-4)-D-glucosamin (cấu trúc III). [20] Công thức phân tử: (C6H11O4N)n Phân tử lượng: Mchitosan = (161,07)n Hình 1.2. Công thức cấu tạo của chitosan Tuy nhiên, trên thực tế thường có mắt xích chitin đan xen trong mạch cao phân tử chitosan (khoảng 10%). Vì vậy công thức chính xác của chitosan được thể hiện như sau: [ Nguồn Internet] SVTH: Phạm Thị Gái Trang 6 Trong đó tỷ lệ m/n phụ thuộc vào mức độ deacetyl hóa. 1.1.3. Tính chất vật lý của chitin/chitosan 1.1.3.1. Tính chất vật lý của chitin Chitin có màu trắng, không tan trong nước, trong kiềm, trong acid loãng và các dung môi hữu cơ khác như ete, rượu… Tính không tan của chitin là do chitin có cấu trúc chặt chẽ, có liên kết trong và liên phân tử mạnh thông qua các nhóm hydroxyde và acetamide. Tuy nhiên, β –chitin có tính trương nở với nước cao. Chitin bị hòa tan bởi dung dịch acid đậm đặc như HCl, H3PO4 và dimethylacetamide chứa 5% lithiumchoride. Chitin có khả năng hấp thụ tia hồng ngoại ở bước sóng 884÷890 cm. Chitin là một polysaccharide nguồn gốc tự nhiên, có hoạt tính sinh học cao, có tính hòa hợp sinh học và tự phân hủy trên da. Chitin bị men lysozyme, một loại men chỉ có ở cơ thể người, phân giải thành monome N-acetyl-D-glucosamine.[8] Chitin có cấu trúc rắn chắc hơn các polymer sinh học khác. Độ rắn cao của chitin sẽ thay đổi theo từng loại chitin được chiết từ các nguyên liệu khác nhau. 1.1.3.2. Tính chất vật lý của chitosan Là một chất rắn, xốp, nhẹ, hình vảy, có thể xay nhỏ theo các kích cỡ khác nhau. Chitosan có tính kiềm nhẹ, có màu trắng hay vàng nhạt, không mùi vị, không tan trong nước, dung dịch kiềm và acid đậm đặc nhưng tan trong acid acetic loãng (pH = 6), tạo dung dịch keo trong, có khả năng tạo màng tốt. Nhiệt độ nóng chảy 309 – 3110C. Chitosan có tính chất cơ học tốt, không độc,dẽ tạo màng, có thể tự phân hủy sinh học, có tính hòa hợp dinh học cao với cơ thể. Ngoài ra, màng chitosan cũng khá dai, khó xé rách, có độ bền tương đương với một số chất dẻo vẫn được dùng làm bao thực phẩm. Do là một polycationic mang điện tích dương (pH< 6.5) nên chitosan có khả năng bám dính trên các bề mặt có điện tích âm như protein, acid béo và phospholipid nhờ sự có mặt của nhóm amino (NH2).[14] SVTH: Phạm Thị Gái Trang 7 Chitosan và các dẫn xuất của chúng đều có tính kháng khuẩn, như ức chế hoạt động của một số vi khuẩn như E.coli, diệt được một số loại nấm hại dâu tai, cà rốt, đậu và có tác dụng tốt trong bảo quản các loại rau quả có vỏ cứng bên ngoài. 1.1.4. Tính chất hóa học của chitin/ chitosan 1.1.4.1. Tính chất hóa học của chitin Chitin tồn tại rất hiếm ở trạng thái tự do và hầu như luôn luôn liên kết đồng hóa trị với các protein, CaCO3 và các chất hữu cơ khác. Chitin tương đối ổn định với các chất oxy hóa, như thuốc tím (KMnO4 ), nước oxy già (H2O2), nước Javen,… lợi dụng tính chất này để khử màu chitin bằng các chất oxy hóa trên. Phản ứng thủy phân xảy ra hoàn toàn xảy ra khi đun nóng chitin trong HCl đậm đặc sẽ thu được glucosamine. Quá trình thủy phân xảy ra đầu tiên ở cầu nối glucoside sau đó loại nhóm acetyl (-COCH3). Khi đun nóng chitin trong dung dịch NaOH đậm đặc thì chitin sẽ bị mất gốc acetyl tạo thành chitosan. Chitin + n NaOHđđ → chitosan + nCH3COONa Phản ứng este hóa: - Chitin tác dụng với HNO3 đậm đặc cho sản phẩm chitin nitrat. - Chitin tác dụng với anhydride sunfuric trong pyridin, dioxan và N,N- dimetylanilin cho sản phẩm chitin sunfonat. Từ thế kỷ trước các nghiên cứu về việc hấp thu, tạo phức với kim loại nặng đã được thực hiện. Chitin có thể tạo phức với nhiều kim loại như đồng, chì, crom… 1.1.4.2. Tính chất hóa học của chitosan Trong phân tử chitin/chitosan có chứa các nhóm chức -OH, -NHCOCH3 trong các mắt xích N-acetyl-D-glucosamine và nhóm -OH, -NH2 trong các mắt xích Dglucosamine có nghĩa chúng vừa là ancol, vừa là amin và vừa là amit. Phản ứng hóa học có thể xảy ra ở vị trí nhómchức tạo ra dẫn xuất thế -OH, dẫn xuất thế N-, hoặc dẫn xuất thế O, N-.[14] SVTH: Phạm Thị Gái Trang 8 Mặt khác, chitin/chitosan là những polymer mà ccá monomer được nối với nhau bởi các liên kết β-(1-4)-glucoside; các liên kết này rất dễ bị cắt đứt bởi các chất hóa học như: acid, base, tác nhân oxy hóa và các enzyme thủy phân. a. Các phản ứng của nhóm –OH [14] - Dẫn xuất sunfat. - Dẫn xuất O-acyl của chitin/chitosan. - Dẫn xuất O-tosyl hóa chitin/chitosan. b. Phản ứng ở vị trí -N [14] - Phản ứng N-acetyl hóa chitosan. - Dẫn xuất N-sunfat chitosan. - Dẫn xuất N-glycochitosan (N-hidroxy-etylchitosan). - Dẫn xuất acroleylen chitosan. c. Phản ứng xảy ra tại vị trí O, N [14] - Dẫn xuất O, N-cacboxymetylchitosan. - Dẫn xuất N, O-cacboxychitosan. - Phản ứng cắt đứt liên kết β-(1-4)-glucoside. - Chitosan phản ứng với acid đậm đặc tạo muối khó tan. - Chitosan tác dụng với iod trong môi trường H2SO4 cho phản ứng lên màu tím. Đây là phản ứng dùng trong phân tích định tính chitosan. d. Khả năng hấp phụ tạo phức với các ion kim loại chuyển tiếp Trong phân tử chitin/chitosan và một số dẫn xuất của chitin có chứa các nhóm chức mà trong đó các nguyên tử oxi và nitơ của nhóm chức còn cặp electron chưa dùng, do đó chúng có khả năng tạo phức, phối trí với hầu hết các kim loại nặng và các kim loại chuyển tiếp như: Hg+, Cd2+, Zn2+, Cu2+, Ni2+, Co2+… tùy nhóm chức trên mạch polymer mà thành phần và cấu trúc của phức khác nhau. Ví dụ: với phức Ni(II) nếu chitin có cấu trúc bát diện có số phối trí bằng 6, nếu chitosan có cấu trúc tứ diện có số phối trí bằng 4. SVTH: Phạm Thị Gái Trang 9
- Xem thêm -

Tài liệu liên quan