Nghiên cứu biến tính chitin bằng kỹ thuật polyme hóa ghép bức xạ để chế tạo vật liệu hấp thu ion kim loại As(III), as(v), cd2+, pb2+

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

TRƯƠNG THỊ HẠNH

NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH CHITIN BẰNG KỸ THUẬT
POLYME HÓA GHÉP BỨC XẠ ĐỂ CHẾ TẠO VẬT LIỆU
HẤP PHỤ ION KIM LOẠI As(III), As(V), Cd2+, Pb2+

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC

TP. Hồ Chí Minh - 2013


ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

TRƯƠNG THỊ HẠNH

NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH CHITIN BẰNG KỸ THUẬT
POLYME HÓA GHÉP BỨC XẠ ĐỂ CHẾ TẠO VẬT LIỆU
HẤP PHỤ ION KIM LOẠI As(III), As(V), Cd2+, Pb2+

Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và Hóa lý
Mã số: 62 44 31 01

Phản biện 1: PGS. TS. Nguyễn Cửu Khoa
Phản biện 2: PGS. TS. Nguyễn Thị Phương Phong
Phản biện 3: TS. Võ Hữu Thảo
Phản biện độc lập 1: GS. TS. Nguyễn Văn Khôi
Phản biện độc lập 2: PGS. TS. Trần Thái Hòa

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
1. PGS. TS. Hà Thúc Huy
2. PGS. TS. Nguyễn Quốc Hiến

TP. Hồ Chí Minh - 2013


i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận án : “Nghiên cứu biến tính Chitin bằng kỹ thuật polyme
hóa ghép bức xạ để chế tạo vật liệu hấp phụ ion kim loại As(III), As(V), Cd2+, Pb2+”
là công trình nghiên cứu của riêng tôi, có sự hỗ trợ của các thầy hướng dẫn. Các nội
dung nghiên cứu và kết quả trong đề tài này là trung thực và chưa từng được ai công
bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào trước đây. Những phần sử dụng tài liệu
tham khảo trong luận án đã được nêu rõ trong phần tài liệu tham khảo.

Tác giả
Trương Thị Hạnh


ii

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Quý thầy hướng dẫn PGS.
TS. Hà Thúc Huy và PGS. TS. Nguyễn Quốc Hiến đã tận tình tư vấn, hướng dẫn và

cho những ý kiến đóng góp quý báu để tôi hoàn thành luận án này.
Xin chân thành cám ơn đến Ban Giám Hiệu và Khoa Đào tạo Sau Đại học của
trường Đại học Khoa học Tự nhiên TP. HCM đã tạo điều kiện giúp đỡ trong quá
trình đào tạo để nghiên cứu sinh hoàn thành nhiệm vụ của mình.
Xin gửi lời cám ơn đến Quý thầy cô trong Khoa Hóa và Bộ Môn Hóa Lý của
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên TP. HCM đã tạo điều kiện thuận lợi để luận án
được hoàn thành đúng tiến độ.
Xin cám ơn Ban Giám Đốc Trung tâm Nghiên cứu và Triển khai Công nghệ
Bức xạ đã có những chính sách ưu tiên trong công tác đào tạo cán bộ.
Xin cám ơn tất cả các bạn đồng nghiệp, đặc biệt là những cộng sự trong Phòng
Nghiên cứu và Phát triển đã giúp tôi trong quá trình thực nghiệm.
Xin cám ơn các cán bộ của Phòng vận hành thuộc Trung tâm Nghiên cứu và
Triển khai Công nghệ Bức xạ đã giúp đỡ nhiệt tình trong công đoạn chiếu xạ mẫu.
Để hoàn thành luận án này, tác giả còn nhận được sự hợp tác từ các đơn vị :
o Phòng Công nghệ Bức xạ, Viện Nghiên cứu Hạt nhân (Đà lạt)
o Nhà máy ăcqui chì Đồng Nai
o Trung tâm dịch vụ phân tích thí nghiệm TP. HCM
o Phòng thí nghiệm công nghệ nano thuộc Đại học Quốc gia TP.HCM
o Phòng thí nghiệm vật lý chất rắn thuộc Trường Đại học Khoa học Tự
nhiên TP.HCM
Xin gửi đến Quý đơn vị lời biết ơn sâu sắc.
Cuối cùng, xin chân thành cám ơn tất cả những người thân yêu trong gia đình
đã động viên, giúp đỡ, ủng hộ tôi về mọi mặt để tôi hoàn thành luận án này.


iii

MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa ..................................................................................................

Lời cam đoan ..................................................................................................

i

Lời cảm ơn

..................................................................................................

ii

Mục lục

..................................................................................................

iii

Bảng các chữ viết tắt và đơn vị đo ..................................................................

vii

Danh mục các bảng .........................................................................................

ix

Danh mục các hình vẽ, đồ thị ..........................................................................

x

MỞ ĐẦU …………………………………………………………………….

1

Chương 1 - TỔNG QUAN .............................................................................

3

1.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước .......................................................

3

1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước .......................................................

7

1.3. Những cơ sở lý thuyết .........................................................................

8

1.3.1. Tương tác của tia X và tia gamma với vật chất ....................

8

1.3.2. Các đơn vị đo lường bức xạ .........................................................

9

1.3.2.1. Hoạt độ phóng xạ .................................................................

9

1.3.2.2 . Liều hấp thụ .........................................................................

10

1.3.2.3 . Liều chiếu xạ .......................................................................

10

1.3.2.4 . Hiệu suất hóa học bức xạ .....................................................

10

1.3.3. Nguồn bức xạ

11

1.3.4. Các quá trình xảy ra khi chiếu xạ polyme .....................................

11

1.3.4.1. Khâu mạch và cắt mạch ........................................................

11

1.3.4.2. Polyme hóa bức xạ ...............................................................

17

1.3.4.3. Polyme hóa ghép bức xạ ......................................................

18

1.3.5. Biến tính ghép copolyme hóa trên chitin/chitosan ........................

30

1.3.5.1. Cấu trúc của chitin/chitosan và quá trình copolyme hóa
ghép ..................................................................................................

30


iv

1.3.5.2. Polyme hóa ghép khơi mào bằng hóa học ............................

32

1.3.5.3. Polyme hóa ghép trên chitin/chitosan bằng kỹ thuật bức xạ

37

1.3.6. Đặc tính hấp phụ của chitin/chitosan ............................................

41

1.3.6.1. Quá trình hấp phụ ..................................................................

41

1.3.6.2. Những đặc trưng của chitin/chitosan liên quan đến hấp phụ

49

1.3.6.3. Ảnh hưởng của pH đến sự hấp phụ của chitin/chitosan ........

54

1.3.6.4. Cơ chế hấp phụ ion kim loại trên chitin/chitosan .................

56

Chương 2 - THỰC NGHIỆM ........................................................................

59

2.1. Thiết bị, nguyên liệu và hóa chất .......................................................

59

2.1.1. Thiết bị .........................................................................................

59

2.1.2. Nguyên liệu và hóa chất ...............................................................

59

2.2. Phương pháp thực nghiệm ..................................................................

60

2.2.1. Chế tạo nguyên liệu đầu α-chitin từ vỏ tôm ................................

60

2.2.2. Khảo sát các thông số của quá trình ghép 2,3-epoxypropyl
methacrylate (EPMA) và acrylonitril (AN) lên chitin: Nồng độ
monome, suất liều, liều xạ hấp thụ, nhiệt độ, thời gian ghép .................

62

2.2.3. Xác định mức độ chuyển đổi nhóm epoxi trên chitin ghép
glycidyl methacrylate và cyano trên chitin ghép acrylonitril .................

63

2.2.3.1. Mở vòng epoxi bằng ethylene diamin (EDA) và axit
photphoric (H3PO4) trên chitin ghép 2,3-epoxypropyl methacrylate

63

2.2.3.2. Chuyển hóa nhóm cyano thành nhóm amidoxim .................

64

2.2.4. Đặc trưng của chitin biến tính ghép, chuyển hóa, hấp phụ qua
các kỹ thuật phân tích phổ IR, ảnh chụp AFM, SEM, phân tích nhiệt
DSC, TGA và nhiễu xạ tia X ...................................................

64

2.2.5. Khảo sát sự hấp phụ các ion kim loại As(III), As(V), Cd2+,
Pb2+ trên Chi-g-EPMA-P và Chi-g-AN-A .....................................
2.2.6. Hấp phụ As(III), As(V), Cd2+ của Chi-g-EPMA-P và Chi-g-ANA từ các mẫu nước ngầm và Pb2+ từ nhà máy acqui chì Đồng

65


v

Nai .....................................................................................................
2+

66

2+

2.2.7. Giải hấp các ion kim loại As(III), As(V), Cd , Pb đã hấp phụ
trên Chi-g-EPMA-P và Chi-g-AN-A .......................................

67

Chương 3 – KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN …………………………………...

68

3.1. Đặc trưng của nguyên liệu đầu α-chitin từ vỏ tôm ………………….

68

3.1.1. Độ deacetyl ……………………………………………………...

68

3.1.2. Độ ẩm, độ tro, diện tích bề mặt riêng …………………………

70

3.2. Ghép 2,3-epoxypropyl methacrylate (EPMA) và acrylonitril (AN)
lên chitin ....................................................................................................

70

3.2.1. Ảnh hưởng của nồng độ và thời gian phản ứng của EPMA và
AN với chitin đến mức độ ghép (DG) ....................................................

70

3.2.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng của EPMA và AN với chitin
đến mức độ ghép ……………………………………………………….

75

3.2.3. Ảnh hưởng của liều xạ và suất liều hấp thụ đến mức độ ghép
EPMA và AN lên chitin ………………………………………………..

77

3.2.3.1. Ảnh hưởng của liều xạ …………………………………….

77

3.2.3.2. Ảnh hưởng của suất liều …………………………………..

78

3.3. Sự chuyển đổi nhóm epoxy trên chitin ghép 2,3-epoxypropyl
methacrylate và cyano trên chitin ghép acrylonitril ……………………..

79

3.3.1. Mở vòng epoxy bằng ethylene diamin và axit photphoric ……...

79

3.3.2. Chuyển hóa amidoxim nhóm cyano-CN trên Chi-g-AN-A ……..

82

3.4. Đặc trưng của chitin biến tính ………………………………………

84

3.4.1. Phổ IR …………………………………………………………..

84

3.4.2. Ảnh chụp SEM, AFM và giản đồ nhiễu xạ tia X ……………….

86

3.4.3. Phân tích nhiệt …………………………………………………..

92

3.5. Hấp phụ As(III), As(V), Cd2+, Pb2+ trên Chi-g-EPMA-P và Chi-gAN-A …………………………………………………………………...

96

3.5.1. Ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ As(III), As(V), Cd2+,
Pb2+ trên Chi-g-EPMA-P và Chi-g-AN-A ……………………………

96


vi

3.5.1.1. Hấp phụ As(III), As(V) ……………………………………
2+

2+

3.5.1.2. Hấp phụ Cd và Pb ……………………………………...

96
99

3.5.2. Đẳng nhiệt hấp phụ As(III), As(V), Cd2+, Pb2+ trên Chi-gEPMA-P và Chi-g-AN-A ……………………………………………...

102

3.5.2.1. As(III), As(V) ……………………………………………..

102

3.5.2.2. Hấp phụ Cd2+ và Pb2+ ……………………………………..

107

3.5.2.3. Thông số nhiệt động của sự hấp phụ ……………………..

111

3.5.3. Động học hấp phụ các ion As(III), As(V), Cd2+ và Pb 2+ trên Chig-EPMA-P và Chi-g-AN-A ……………………………………………

112

3.6. Hấp phụ As(III), As(V), Cd 2+ từ các mẫu nước ngầm và Pb2+ từ nhà
máy acqui chì Đồng Nai …………………………………………………

116

3.7. Giải hấp các ion As(III), As(V), Cd 2+ và Pb2+ trên Chi-g-EPMA-P
và Chi-g-AN-A …………………………………………………………..

118

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ………………………………………………

122

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ ………………..

125

TÀI LIỆU THAM KHẢO ..............................................................................

126

PHỤ LỤC .......................................................................................................

142


vii

BẢNG CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ ĐƠN VỊ ĐO
Chữ viết tắt
D

Tiếng Việt
Liều hấp thụ

Gy, kGy

Đơn vị đo liều hấp thụ

Tiếng Anh
Absorbed dose

1Gy = 1J/kg = 100rad = 6,24 ×
10 15 eV/g
1kGy = 1000Gy
kGy/h

Suất liều

Dose rate

γ, Co-60

Bức xạ gamma, đồng vị Co-60

Gamma irradiation

GD

Mức độ ghép

Grafting degree

DA

Độ acetyl

Degree of N-acetylation

DD

Độ deacetyl

Degee of deaceylation

DD = 100 -DA
FTIR

Phổ hồng ngoại

Fourier Transform
Infrared

1

H-NMR

Phổ cộng hưởng từ proton

Nuclear Magnetic
Resonance Spectroscopy

AFM

Kính hiển vi lực nguyên tử

Atomic Force Microscope

SEM

Kính hiển vi điện tử quét

Scanning Electron
Microscope

DSC

Phân tích nhiệt vi sai

Differential Scanning
Calorimetry

DTA

Phân tích nhiệt trọng lượng

Thermogravimetric
Analysis

Chi-g-EPMA

Chitin ghép 2,3- epoxypropyl
methacrylate

Chi-g-EPMA-E

Chitin ghép 2,3- epoxypropyl
methacrylate chuyển hóa bằng


viii

ethylene diamine
Chi-g-EPMA-P

Chitin ghép 2,3- epoxypropyl
methacrylate chuyển hóa bằng
H3PO4

Chi-g-EPMA-P-As

Chitin ghép 2,3- epoxypropyl

Chi-g-EPMA-P-Cd

methacrylate chuyển hóa bằng

Chi-g-EPMA-P-Pb

H3PO4, hấp phụ As, Cd, Pb.

Chi-g-AN

Chitin ghép acrylonitril

Chi-g-AN-A

Chitin ghép acrylonitril chuyển
hóa amidoxim

Chi-g-AN-A-As

Chitin ghép acrylonitril chuyển

Chi-g-AN-A-Cd

hóa amidoxim, hấp phụ As, Cd,

Chi-g-AN-A-Pb

Pb

Co

Nồng độ ban đầu của chất tan

Initial concentration of

trong dung dịch (mg/l)

solute in solution

Nồng độ ion kim loại trong

Metal ion concentration

dung dịch sau hấp phụ (mg/l)

on solution at equilibrium

Nồng độ ion kim loại trên chất

Metal ion concentration

hấp phụ (mg/g)

on adsorbent at

Ce

Ye

equilibrium
Dung lượng hấp phụ cực đại

Maximum adsorption

(mg/g)

capacity (mg/g)

V

Thể tích dung dịch (ml)

Volume solution

W

Khối lượng của chitin hoặc chất

Mass of chitin or

hấp phụ (g)

adsorbent

Hệ số tương quan

The correlation

qmax

R2

coefficient


ix

DANH MỤC CÁC BẢNG
STT

Bảng

Diễn giải

Trang

1

2.1

Nồng độ của các ion As(III), As(V), Cd 2+ và Pb2+ hấp

65

phụ theo pH
2

2.2

Nồng độ của các ion As(III), As(V), Cd 2+ và Pb2+ hấp

66

phụ theo thời gian
3

2.3

Dung lượng hấp phụ các ion kim loại trên Chi-g-

67

EPMA-P và Chi-g-AN-A được sử dụng cho thí nghiệm
giải hấp
4

3.1

Độ deacetyl của các mẫu chitin theo thời gian, từ kết

70

quả đo phổ IR
5

3.2

Ảnh hưởng của quá trình ghép, chuyển hóa và hấp phụ

95

trên chitin đến kết quả phân tích nhiệt DSC và TGA
6

3.3

Các dạng khác nhau của Cd2+ và Pb2+ theo môi trường

100

pH
7

3.4

Hằng số Langmuir và Freundlich của các ion As(III),

110

As(V), Cd2+ và Pb2+ trên Chi-g-EPMA-P và Chi-g-ANA
8

3.5

Hằng số cân bằng nhiệt động KoC và năng lượng tự do

111

Gibbs
9

3.5

Thông số động học cho sự hấp phụ các ion As(III),

115

As(V), Cd2+ và Pb2+
10

3.6

Hấp phụ As và Cd từ các mẫu nước ngầm của các mẫu

116

chitin
11

3.7

Hấp phụ Pb 2+ từ nước thải nhà máy ăcqui Đồng Nai của
các mẫu chitin

118


x

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
STT

Hình

Diễn giải

Trang

1

1.1

Khâu mạch bức xạ của PE

14

2

1.2

Cấu trúc hóa học của chitin (N-acetyl-glucosamine)

30

3

1.3

Cấu trúc hóa học của chitosan (glucosamine)

31

4

1.4

Sự sắp xếp chuỗi trong cấu trúc tinh thể của chitin

31

5

1.5

a) Đồ thị tìm hằng số Langmuir b) Đường đẳng nhiệt

46

Langmuir
6

1.6.

a) Đồ thị tìm hằng số trong phương trình Freundlich

47

b) Đường hấp phụ axit propionic trên than hoạt tính
7

1.7

Cấu trúc của chitin với sự thay thế nhóm acetyl chưa hoàn

50

toàn
8

1.8

Cấu trúc đề nghị cho phức Chitosan-Cu

55

9

1.9

Phức của chitosan - Sr2+-CO32-

58

10

3.1

Phổ FTIR của chitin C0 (chưa deacetyl), C1 (deacetyl 12 giờ),

69

C2 (deacetyl 18 giờ), C3 (deacetyl 24 giờ), C4 (deacetyl 36
giờ)
11

3.2

Ảnh hưởng nồng độ monome đến mức độ ghép a) EPMA, b)

72

AN lên chitin
12

3.3

Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến mức độ ghép a)

73

EPMA b) AN
13

3.4

Mối liên hệ giữa logarit của tốc độ ghép ban đầu với nồng độ

74

EPMA và AN
14

3.5

Sự phụ thuộc mức độ ghép vào nhiệt độ a) EPMA, b) AN

76

15

3.6

Ảnh hưởng của suất liều đến mức độ ghép

78

16

3.7

Động học diamin hóa của Chi-g-EPMA tại nhiệt độ 70oC

80


xi

17

3.8

Lượng H3PO4 thay thế trên Chi-g-EPMA a) Theo nồng độ b)

81

Theo thời gian tại nồng độ 50%
18

3.9

Động học chuyển hóa amidoxim của Chi-g-AN với tỉ lệ giữa

83

NH2OH.HCl 0,1N: NaOH 0,1N là 7:3, 1:1 và 1:0
19

3.10

Phổ IR của a) Chitin 20 kGy b) Chi-g-EPMA c) Chi-g-

84

EPMA-P
20

3.11

Phổ IR của a) Chitin 25 kGy b) Chi-g-AN-A c) Chi-g-AN

85

21

3.12

Ảnh SEM của các mẫu a) Chitin; b) Chi-g-EPMA; c) Chi-g-

87

EPMA-P; d) Chi-g-EPMA-P-Pb; e) Chi-g-AN; f) Chi-g-ANA; g) Chi-g-AN-A-Pb
22

3.13

Ảnh chụp AFM của các mẫu a) Chitin; b) Chi-g-EPMA; c)

88

Chi-g-EPMA-P; d) Chi-g-AN; e) Chi-g-AN-A
23

3.14

Giản đồ tia X của a) Chitin; b) Chi-g-EPMA-P-As

90

24

3.15

Giản đồ DSC, TGA của a) Chitin 20 kGy; b) Chi-g-EPMA;

92

c) Chi-g-EPMA-P; d) Chi-g-EPMA-P-Pb
25

3.16

Giản đồ DSC, TGA của e) Chi 25 kGy; f) Chi-g-AN; g) Chi-

94

g-AN-A; h) Chi-g-AN-A-Pb
26

3.17

Ảnh hưởng của pH đến dung lượng hấp phụ As(III)

97

27

3.18

Ảnh hưởng của pH đến dung lượng hấp phụ As(V) a) EPMA

97

b) AN
28

3.19

Thế oxy hóa-khử (pE) của những dạng arsenic-arsenate theo

98

pH
29

3.20

Sự phụ thuộc dung lượng hấp phụ Cd 2+ vào pH

101

30

3.21

Sự phụ thuộc dung lượng hấp phụ Pb2+ vào pH

101

31

3.22

Hấp phụ As(III) của Chi-g-EPMA-P và Chi-g-AN-A

103

32

3.23

Hấp phụ As(V) của Chi-g-EPMA-P và Chi-g-AN-A

104


xii

33

3.24

Đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir a) và

Freundlich b) cho

105

As(III)
34

3.25

Đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir a) EPMA b)AN cho As(V)

106

35

3.26

Động học hấp phụ Freundlich cho hấp phụ As(V)

106

36

3.27

Hấp phụ Cd2+ theo nồng độ (a); hấp phụ Pb2+ theo nồng độ

108

(b)
37

3.28

Đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của a) Cd2+ b) Pb 2+

108

38

3.29

Đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich cho Cd 2+ và Pb2+ trên Chi-g-

109

EPMA-P và Chi-g-AN-A
39

3.30

Động học hấp phụ a) As(III), Pb2+ trên Chi-g-EPMA-P và

112

As(III) trên Chi-g-AN-A ; b) As(V), Cd2+ trên Chi-g-EPMAP và Chi-g-AN-A ; c) Pb2+ trên Chi-g-AN-A
40

3.31

Đồ thị tuyến tính của động học hấp phụ giả bậc một của

113

As(III), As(V), Cd2+, Pb2+ trên Chi-g-EPMA-P, Chi-g-AN-A
41

3.32

Đồ thị tuyến tính của động học giả bậc hai của As(III),

114

As(V), Cd2+ và Pb2+ trên Chi-g-EPMA-P và Chi-g-AN-A
42

3.33

Phần trăm giải hấp các ion As(III), As(V), Cd2+ và Pb2+ trên

119

Chi-g-EPMA-P a) Axit oxalic b) Axit clohydric
43

3.34

Phần trăm giải hấp các ion As(III), As(V), Cd2+ và Pb 2
trên Chi-g-AN-A c) Axit oxalic, d) Axit clohydric

120


1

MỞ ĐẦU

Hiện nay, cùng với sự phát triển của khoa học và công nghệ cũng như sự gia
tăng dân số đã tăng cường sự ô nhiễm môi trường. Trong các nguồn thải từ các khu
công nghiệp, khu dân cư quan tâm nhiều nhất vẫn là nguồn thải lỏng. Các kim loại
nặng, độc như Arsen (As), chì (Pb), thủy ngân (Hg), Cadmi (Cd)… trong các nguồn
nước ngầm hoặc nước thải công nghiệp đã làm ô nhiễm nguồn nước. Trong các mẫu
cá và tôm ở vịnh Giacacta (Indonesia) lượng Pb, Hg và Cd đều vượt quá mức cho
phép [12]. Sự nhiễm độc As có biểu hiện như sạm da, dày biểu bì, sừng hóa da dẫn
đến hoại da hoặc ung thư. Nếu As thâm nhập vào cơ thể qua đường ăn uống sẽ gây
rối loạn tiêu hóa và có nguy cơ dẫn đến ung thư ruột, gan, thận... Ở Việt nam một số
tỉnh thuộc đồng bằng sông Cửu Long và phía Bắc đã có hiện tượng nước nhiễm As
nặng [26], [129]. Đối với Pb khi ở dạng muối tan trong nước rất độc, nếu ngấm vào
mô xốp, xương trẻ em gây ảnh hưởng đến quá trình phát triển, nhất là hệ thần kinh,
giảm trí thông minh. Trong cơ thể Pb cũng ức chế sự tạo máu gây ra sự thiếu máu.
Cd cũng là một nguyên tố bất lợi cho cơ thể con người. Độc tính của chúng là liên
kết với các nhóm –SH trong các phân tử enzim, cạnh tranh và thay thế kẽm trong
các enzim chứa kẽm, trong khi kẽm là một nguyên tố quan trọng trong các hệ sinh
học. Cd cũng gây ra rối loạn cấu trúc và chức năng của tế bào. Nếu nuốt phải một
lượng nhỏ Cd có thể phát sinh ngộ độc tức thì và tổn thương gan, thận [157] [186].

Do tác hại của những kim loại nặng độc mà đã có một số phương pháp khác
nhau được áp dụng để thu hồi và làm sạch nguồn nước trước khi xả ra môi trường
như: hóa lý, lọc trao đổi ion, hấp phụ trên than hoạt tính… Phần lớn các phương
pháp sử dụng đều chi phí với giá thành cao và phức tạp trong quá trình xử lý. Các
polyme tự nhiên, không độc có khả năng phân hủy sinh học, hấp phụ được kim loại
đã và đang được ghi nhận là rất có hiệu quả trong quá trình xử lý nước thải chứa
kim loại nặng, độc. Đặc biệt là chitin nguồn nguyên liệu phong phú thứ hai sau
xenlulo, những nguồn chính đã khai thác là từ hai loài động vật giáp xác tôm và cua.
Chitosan là một copolyme của D-glucosamine và N-acetyl-D-glucosamine được tạo


2

thành bởi quá trình deacetyl chitin. Chitosan có những đặc tính độc đáo nhờ sự hiện
diện của nhóm amino trong phân tử, điều này có ý nghĩa rất lớn về phương diện
thương mại so với xenlulo. Khối lượng phân tử, độ deacetyl, độ tinh thể hóa là
những thông số ảnh hưởng đến đặc tính của chitosan và phụ thuộc vào điều kiện chế
tạo. Ứng dụng công nghiệp của chitosan được ghi nhận rất rộng rãi như trong lĩnh
vực sinh y, dược phẩm, công nghệ sinh học, hóa học, mỹ phẩm, thực phẩm và nông
nghiệp…[158]. Chitosan được sử dụng trong xử lý nước và nước thải do khả năng
tạo phức hợp với các chất ô nhiễm trong những dạng khác nhau từ dung dịch đến
gel, hạt, màng, sợi. Chitosan dạng rắn tạo phức vòng càng với hầu hết các ion kim
loại nặng và chuyển tiếp ở môi trường trung tính, tạo phức với anion kim loại trong
môi trường axit và tạo phức với cả ion chất nhuộm khi xử lý hấp phụ. Khi ở dạng
hòa tan, chitosan tách các chất ô nhiễm bởi sự keo tụ, nhờ chuỗi polyme dài và mật
độ điện tích dương cao, đặc tính này được khai thác để xử lý nhiều chất ô nhiễm
trong các nguồn thải lỏng. Chitosan đã được sử dụng thành công về kết tủa keo tụ
trong xử lý khoáng và huyền phù vô cơ [158]. Vì vậy chitin/chitosan là một polyme
rất đặc trưng để nghiên cứu và ứng dụng cho hấp phụ kim loại trong nước và nước
thải. Biến tính ghép bằng kỹ thuật bức xạ nhằm gắn kết các monome chức năng

tăng cường khả năng hấp phụ của vật liệu là đề tài mới và hấp dẫn. Trong luận án
này các monome được lựa chọn là glycidyl methacrylate hay 2,3 epoxy
propylmethacrylate (EPMA) và acrylonitril (AN) được ghép lên vảy chitin có độ
deacetyl thấp đã được chiếu xạ trước. Sản phẩm chuyển hóa có khả năng hấp phụ
các kim loại nặng độc như As, Cd, Pb với dung lượng hấp phụ cao. Đề tài “Nghiên
cứu biến tính chitin bằng kỹ thuật polyme hóa ghép bức xạ để chế tạo vật liệu hấp
phụ ion kim loại As(III), As(V), Cd2+, Pb 2+” nhằm sử dụng kỹ thuật mới khai thác
tiềm năng ứng dụng của chitin/chitosan trong nghiên cứu và xử lý môi trường, một
vấn đề thời sự toàn cầu.


3

Chương 1 - TỔNG QUAN
1.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
Cho đến nay, biến tính ghép bằng kỹ thuật bức xạ vẫn được đánh giá là
phương pháp hiệu quả. Khi được chiếu xạ, polyme sẽ hình thành các gốc tự do có
khả năng khơi mào phản ứng ghép. Theo cách này, nhiều nhóm chức hoạt hóa đa
dạng sẽ được gắn trên sườn polyme, tạo cho polyme có những đặc trưng mới, nhờ
đó làm phong phú thêm tính ứng dụng của vật liệu. Biến tính ghép tạo vật liệu hấp
phụ và trao đổi ion, tạo màng điện phân ứng dụng trong pin nhiên liệu, tạo giá thể
cố định các hoạt chất sinh học như enzyme, kháng nguyên…[41], [46], [90], [112],
[ 176].
Nhằm hướng đến những ứng dụng với qui mô công nghiệp, giá thể được lựa
chọn cho quá trình ghép hiện nay là những polyme tự nhiên [82], [103], [120], [135],
[180]. So với các polyme tổng hợp, polyme tự nhiên có nhiều ưu điểm như không
độc, có khả năng phân hủy sinh học và là nguồn nguyên liệu phong phú, nhất là với
các nước Châu Á-Thái Bình Dương. Nhu cầu sử dụng các polyme này ngày càng
lớn và công nghệ bức xạ cũng được áp dụng nhằm nâng cao vai trò ứng dụng của
các polyme sinh học này.

Trong số các công trình biến tính vật liệu bằng kỹ thuật ghép bức xạ, đáng chú
ý là các công trình biến tính polyme cho mục đích hấp phụ kim loại nặng, độc và
hấp phụ màu [17], [21], [30], [48], [110], [146]. Nổi bật nhất là công trình của các
nhà khoa học Nhật Bản đã ghép các monome vinyl như acrylonitrile, methacrylic
axit, các monome có nhóm chức epoxy lên các polyme tổng hợp như polyethylen
(PE), poly propylen (PP) “non-woven” nhằm chế tạo các chất hấp phụ, thu hồi
Uranium từ nước biển [158].
Đặc tính hấp phụ màu và kim loại là do khả năng tạo phức chelat của các phân
tử chitin/chitosan với các ion chất màu và kim loại [53], [117]. Điều này phụ thuộc
rất nhiều vào hàm lượng các nhóm amin trong phân tử và cũng có nghĩa là độ
deacetyl có ảnh hưởng lớn đến quá trình hấp phụ. Sản phẩm deacetyl hóa của chitin
là chitosan. Tuy nhiên, độ deacetyl cao liên quan đến độ tan của chitin/chitosan, vì


4

thế không thể sử dụng chitosan có độ deacetyl cao cho mục đích hấp phụ trong môi
trường pH thấp. Trong trường hợp này, sử dụng kỹ thuật ghép bức xạ để đưa các
monome chức năng lên mạch polysaccarit của chitosan, nhằm tăng cường khả năng
hấp phụ là rất thích hợp. Phản ứng ghép có thể xảy ra trên phân tử chitosan nhờ khả
năng tạo gốc tự do khi chiếu xạ vật liệu này [14], [91].
Dung lượng hấp phụ cao của chitosan biến tính với ion kim loại có thể được
ứng dụng để thu hồi kim loại có giá trị, hoặc xử lý nước thải ô nhiễm. Những nhóm
chức mới liên kết với chitin/chitosan tăng mật độ vùng hấp phụ, thay đổi pH đồng
thời tăng tính chọn lọc cho sự hấp phụ kim loại. Ghép các nhóm chức cacboxylic
lên chitin/chitosan luôn tăng đặc tính hấp phụ của chitin. Biến tính theo kiểu này,
dẫn xuất “chelate” ưu tiên cho sự hấp phụ cation kim loại. Nhóm cacboxyl đã ghép
trên chitin/chitosan có lẽ cũng đóng vai trò như một tác nhân cho điện tử trong môi
trường kiềm, nhờ vậy chitosan ghép có ái lực mạnh với cation kim loại cũng như
chất nhuộm cation từ dung dịch [25], [35]. Poly(acrylic acid) PAA là một polyme

hòa tan trong nước chứa nhóm cacboxyl trong mỗi đơn vị lặp lại và là chất điện
phân anion. Sản phẩm ghép chitosan-PAA hấp dẫn tĩnh điện với các cation kim loại
ngoài hiệu ứng tạo phức, nhờ đó tăng cường dung lượng hấp phụ các ion kim loại.
Dung dịch chitosan hòa tan trong axit clohydric khi được trộn với dung dịch PAA
sẽ tạo hỗn hợp hydrogel ngay lập tức, do tương tác tĩnh điện mạnh của nhóm amin
với nhóm cacboxylate của PAA. Hạt gel chitosan-PAA hấp phụ Cu cao hơn
chitosan. Tuy nhiên, nếu khâu mạch với glutaraldehyte (GLA) thì hạt chitosanPAA-GLA bền trong môi trường pH thấp và có đặc tính cơ lý tốt hơn hạt chitosanPAA. Dung lượng hấp phụ Cu của chitosan-PAA-GLA cũng cao hơn chitosan-PAA
[45]. Chất hấp phụ mới poly(methacrylic acid) ghép chitosan/bentonit (CTS-gPMMA/Bent) được điều chế từ chitosan biến tính ghép methacrylic axit trong sự có
mặt của bentonit và N,N’-methylenebisacrylamide là tác nhân khâu mạch. Vật liệu
CTS-g-PMMA/Bent được nhóm tác giả Ấn độ cho hấp phụ U(VI) trong dung dịch
với khoảng pH rộng từ 2-9. Dung lượng hấp phụ cực đại U(VI) đạt 117,2 mg g−1 ở
30 °C, khi pH 5,5. Thí nghiệm được tiến hành ở mô hình như xử lý thải hạt nhân


5

công nghiệp [16]. Nếu chế tạo dẫn xuất chitosan khâu mạch với serin- axit 2-amino3-hidroxi propanoic hấp phụ được UO22+ trong vùng pH 2-7, với dung lượng hấp
phụ cực đại tới 330 mg U/g. Khi tác nhân khâu mạch là tetrachlomethane thì dung
lượng hấp phụ U đạt 203 mg/g. Vật liệu này hấp phụ các nhân phóng xạ có tính
chọn lọc theo thứ tự

233

UO22+ > 234Th4+ > 137Cs+ > 152–154Eu3+ > 241Am3+ > 85Sr2+

[121]. Như vậy, chitosan và chitosan biến tính là vật liệu hứa hẹn cho sự hấp phụ
hầu hết các kim loại nặng, đặc biệt là các nhân phóng xạ.
Ngoài ra, chitin/chitosan do có số lượng lớn nhóm -OH và -NH2 trong cấu trúc
nên có khả năng phản ứng với nhiều loại chất nhuộm như trực tiếp, phân tán, anion
và napthol. Theo Crini có ba yếu tố đóng góp vào sự công nhận chitosan như một

vật liệu sinh học thích hợp cho sự tách chất nhuộm [44]. Trước hết, giá thành của
vật liệu rất thấp từ nguồn nguyên liệu tự nhiên phong phú. Thứ hai, dung lượng và
tốc độ hấp phụ cao cũng như tính chọn lọc cao về sự “giải độc” trong dung dịch.
Đặc biệt là ái lực cao của chitosan với nhiều loại chất nhuộm. Nhân tố thứ ba là dễ
tạo ra nhiều dạng phong phú như màng, sợi, gel, bọt, hạt, nano hoặc làm giá thể trên
vật liệu trơ khác. Nếu biến tính chitosan với tetraethylene pentamine (TEPA) sẽ tạo
một số lượng lớn nhóm amiđol và imiđol mang điện tích dương. Nhờ đó tăng cường
dung lượng hấp phụ của dẫn xuất chitosan với chất nhuộm anionic như eozin Y [74].
Dẫn xuất sunfua của chitosan cũng được thí nghiệm thành công cho hấp phụ thủy
ngân và kim loại, bởi vì ái lực “chelating” của phức sunfua là ưu tiên cho ion kim
loại [78]. Những nhóm disunfua từ các hợp chất như dithicacbamate cũng được
ghép lên chitosan để cải tiến dung lượng hấp phụ kim loại của chitosan trong môi
trường axit [178]. Một công trình mới nhất cho sự thu hồi Au(III) từ dẫn xuất
sunfua của chitosan đã được công bố bởi Wang [173]. Sản phẩm được điều chế từ
carboxylmethyl chitosan, rồi ghép nhóm sunfua từ thioure trên chitosan khâu mạch.
Vật liệu này có khả năng hấp phụ Au(III) với dung lượng hấp phụ cao 8,32mmol/g.
Sự tồn tại của những điện tử độc thân trên nguyên tử N và S của dẫn xuất tạo phức
khá bền với kim loại. Chitosan biến tính ghép với hợp chất sunfua hấp phụ
palladium-Pd với dung lượng cực đại 350-370 mg Pd/g ở pH 2,2 [63]. N-


6

Halochitosan được chế tạo bởi phản ứng giữa chitosan và sodium hypochloride, đó
là vật liệu keo tụ tốt với oxit kim loại và những chất ô nhiễm khác. N-chloroacetyl
chitosan được tổng hợp bởi chitosan trong hỗn hợp chloroacetic anhydride và
chloroacetic axit. Vật liệu có ái lực cao với các ion kim loại như Cu2+ và Fe3+ [78].
Để cải tiến tính tan của chitosan trong môi trường pH thấp, một trong biến tính mà
được các nhà khoa học tiến hành gần đây là khâu mạch với ete “vương miện”. Ete
này có cấu trúc đặc biệt tạo phức được với các ion kim loại. Hiệu ứng “cộng hợp”

của ete “vương miện” và chitosan sẽ cho khả năng tạo phức mạnh với ion kim loại
hơn là các chất thành phần [106]. Khâu mạch 4,4’-diformyldibenzo-18-crown-6 với
chitosan tạo vật liệu hấp phụ Pb2+ và Hg2+ trong môi trường pH 4 và 6 cao hơn
chitosan, đồng thời có sự hấp phụ chọn lọc cao ion Hg2+ trong sự có mặt của Pb 2+
[19]. Nếu chitosan khâu mạch với 4,4’-diformyldibenzo-18-crown-6, Yi (2003) đã
cho hấp phụ ion Ag+ tạo phức chitosan-ete ‘vương miện” và Ag+ [185]. Dung lượng
hấp phụ Ag+ đến 43 mg/g chất hấp phụ. Vật liệu biến tính có khả năng kháng khuẩn
với ba chủng vi sinh Staphylococcus Aureus, Escherichia coli và Pseudomonas
aeruginona. Chitosan biến tính với ete “vương miện” có đặc tính hấp phụ chọn lọc
cao, tuy nhiên sự tái sử dụng sản phẩm là rất khó.
Ngoài những công trình ghi nhận chitosan là chất hấp phụ màu và kim loại
tuyệt vời, Lin và cộng sự vừa mới công bố một kết quả hấp phụ axit humic (HA) từ
hỗn hợp chitosan – zeolite [105]. Axit humic được phát sinh do sự phân hủy những
phân tử sinh học của vi sinh và tồn tại khắp nơi trong nước mặt cũng như nước
ngầm. Sự có mặt của HA làm cho nước uống có vấn đề về mùi, vị, màu sắc. Nguy
hiểm hơn HA có thể kết hợp với những chất ô nhiễm như kim loại nặng, độc hoặc
những chất hữu cơ tổng hợp như thuốc trừ sâu, rồi mang chúng vào hệ thống xử lý
hoặc phân phối nước. Khi kết hợp với chlorine trong xử lý nước uống tạo sản phẩm
phụ như trichlomethane là tác nhân gây ung thư. Thành phần của HA có các nhóm
chức như cacboxylic và phenolic, do vậy zeolit tự nhiên có ái lực không đáng kể với
HA, khi cấu trúc zeolit tinh thể có điện tích âm. Hỗn hợp chitosan-zeolite cải tiến
dung lượng hấp phụ HA nhờ bề mặt mang điện tích dương của chitosan, đặc biệt ở


7

pH thấp khi nhóm amino đã được proton hóa. Vật liệu hỗn hợp cũng khắc phục
được nhược điểm của chitosan là mềm và dễ bị keo tụ, do zeolit bền về mặt hóa học
và cơ học lại có cấu trúc xốp rất thích hợp cho hấp phụ.
1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước

Trong nhiều năm qua một số nhà khoa học đã khai thác tính năng kháng khuẩn,
kháng nấm, trừ độc của chitin/chitosan. Theo nhiều tác giả, phản ứng giữa chitosan
mang điện tích dương ở C-2 của đơn vị glucosamin khi pH < 6 và màng tế bào
mang điện tích âm dẫn đến sự bẻ gẫy cấu trúc protein và nội bào [42], [104]. Từ đó,
chitin/chitosan được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực mỹ phẩm, thực phẩm, chất
mang thuốc và trong nông nghiệp. Đặc biệt, các nhà khoa học Việt Nam cũng đã có
những công trình có giá trị về hoạt lực kích kháng bệnh cho cây trồng. Phản ứng tự
vệ tổng hợp kháng sinh thực vật (phytoalexin) ngăn ngừa sự nhiễm bệnh cho cây
của chitosan khối lượng phân tử thấp cũng đã được nghiên cứu [167].
Đặc tính nổi bật về khả năng hấp phụ kim loại do đặc trưng về cấu trúc cũng
được các nhà khoa học trong nước quan tâm. Biến tính chitin/chitosan có thể tiến
hành theo nhiều phương pháp nhằm tăng cường dung lượng hấp phụ của
chitin/chitosan. Dẫn xuất N-carboxymethyl chitosan (N-CMC) được chế tạo từ
chitosan (β) đã deacetyl hoàn toàn tác dụng với monochloroacetic tại 90oC. Dẫn
xuất N-CMC phản ứng với dung dịch muối Cu(NO3)2.3H2O trong 60-90 phút, nhiệt
độ 30 oC trong môi trường pH 6,5, xác định được dung lượng hấp phụ ion Cu2+ của
1 gam vật liệu là 192mg [132]. Một cách biến tính khác cũng đi từ chitin (β) mai
mực là tạo gel chitosan benzylidene. Chitosan được hòa tan trong axit acetic rồi pha
trộn với benzaldehyt đã hòa tan trong methanol. Phản ứng giữa nhóm aldehyt và
amin đã tạo nhóm chức imine C=N (bazơ Schiff). Sản phẩm tạo thành hấp phụ được
các ion Cu (II), Cd (II) và Fe(II) từ các dung dịch muối. Kết quả dung lượng hấp
phụ các ion được xếp theo thứ tự Cd (II) > Cu (II)> Fe(II). Dẫn xuất chitosan
benzaldehyt do có thêm các nhóm chức imine và vòng thơm nên hấp phụ tốt hơn
chitosan [51]. Khâu mạch chitosan với glutaraldehyt rồi biến tính ghép với axit hữu


8

cơ axit xitric. Sản phẩm biến tính dạng bột cho hấp phụ Uranium theo pH. Dung
lượng hấp phụ U(VI) trên chitosan biến tính cao nhất trong vùng pH 3,5-4. Động

học hấp phụ thích hợp cho cả Langmuir, Freundlich và Redlich –Peterson [131].
Cho đến nay biến tính vật liệu bằng kỹ thuật bức xạ được đánh giá là phương
pháp mới và thân thiện với môi trường. Chế tạo vật liệu hấp phụ từ chitin bằng
phương pháp chiếu xạ đã được thực hiện tại Trung tâm Nghiên cứu và Triển khai
Công nghệ Bức xạ. Theo phương pháp này, chitin có độ deacetyl thấp được tạo gốc
tự do bằng kỹ thuật bức xạ. Sau đó, biến tính ghép các monome có nhóm chức hấp
phụ hoặc chuyển hóa để tạo nhóm chức hấp phụ trên giá thể chitin. Như vậy, dung
lượng hấp phụ các ion kim loại cũng được tăng cường và có thể thực hiện phản ứng
hấp phụ trong cả môi trường pH thấp. Hơn nữa, khả năng triển khai ứng dụng ở qui
mô lớn là rất khả thi [168]. Ghép axit acrylic (AAc) lên chitin với độ deacetyl thấp
~ 40% có thể thực hiện bằng phương pháp chiếu xạ. Khi nồng độ AAc là 20%,
chitin chiếu xạ trước đến liều 20 kGy thì sản phẩm ghép được tạo thành và có khả
năng hấp phụ các cation Zn2+ và Cu2+ với dung lượng hấp phụ tương ứng là 22,8 và
14,7 mmol/g [6].
1.3. Những cơ sở lý thuyết
1.3.1. Tương tác của tia X và tia gamma với vật chất
Một hạt nhân không bền phóng ra các bức xạ để chuyển về trạng thái bền. Quá
trình này gọi là sự phân rã phóng xạ. Các bức xạ khi phân rã phóng xạ thường
là các hạt alpha (α), hạt bêta (β-), hạt positron (β+), tia gamma (γ), tia X...
Tương tác của tia X hay gamma không gây hiện tượng ion hóa trực tiếp như
hạt tích điện. Tuy nhiên, khi các tia này tương tác với nguyên tử, nó làm bứt
electron quỹ đạo ra khỏi nguyên tử hay sinh ra các cặp electron-positron (là các hạt
có khối lượng bằng electron nhưng mang điện tích dương +1e). Đến lượt mình, các
electron gây ion hóa và đó là cơ chế cơ bản mà hạt gamma năng lượng cao có thể
ghi đo và cũng nhờ đó chúng có thể phá vỡ các liên kết trong phân tử, tuy nhiên
năng lượng cũng chưa đủ lớn để ảnh hưởng đến cấu trúc hạt nhân nguyên tử. Do đó,
bức xạ gamma có thể biến đổi tính chất hóa học, vật lý hay sinh học của các sản


9

phẩm hay vật liệu chiếu xạ, nhưng các vật liệu này không có tính phóng xạ. Khi tia
gamma và tia X tương tác với vật chất có 3 hiệu ứng cơ bản:

 Hiệu ứng quang điện: Khi tia gamma va chạm với electron quỹ đạo của
nguyên tử, tia gamma truyền toàn bộ năng lượng của mình cho electron quỹ
đạo để nó bay ra khỏi nguyên tử. Electron này gọi là quang electron
(photoelectron).

 Hiệu ứng Compton: Trong quá trình Compton, tia gamma năng lượng cao
tán xạ đàn hồi lên electron ở quỹ đạo ngoài. Tia gamma thay đổi phương
bay và bị mất một phần năng lượng, còn electron giải phóng ra khỏi nguyên
tử. Quá trình tán xạ Compton có thể coi như quá trình tia gamma tán xạ đàn
hồi lên electron tự do .

 Hiệu ứng tạo cặp electron-positron: Nếu gamma vào có năng lượng lớn
hơn hai lần năng lượng tĩnh của electron 2mec2 = 1,02 MeV thì khi đi qua
điện trường của hạt nhân nó sinh ra một cặp electron-positron. Đó là hiệu
ứng sinh cặp electron-positron. Hạt positron sau đó hủy cặp với một electron
để tạo nên hai tia gamma với năng lượng 0,51 MeV mỗi tia và chúng bay
ngược chiều nhau.
Các hiệu ứng trên tạo nên hai quá trình quan trọng của tương tác γ với vật chất.
Đó là quá trình hấp thụ và tán xạ. Do hai quá trình này, cường độ tia γ bị suy giảm
khi đi qua vật chất. Sự suy giảm này cũng tuân theo qui luật hàm mũ:
I(x) = I0 e-μx

(1.3.1)

Trong đó I0 là cường độ chùm tia vào, I (x) là cường độ chùm tia sau khi đi qua một
quãng đường x trong vật chất, μ là hệ số suy giảm tuyến tính. Thứ nguyên của μ là

cm-1, trong thực tế còn dùng hệ số suy giảm khối lượng μm = μ/ρ trong đó ρ là mật
độ vật chất (g/cm 3). Khi đó thứ nguyên của μm là cm2/g [9].
1.3.2. Các đơn vị đo lường bức xạ
1.3.2.1. Hoạt độ phóng xạ
Hoạt độ phóng xạ là số nguyên tử đồng vị phóng xạ phân rã trong một đơn vị


10

thời gian. Đơn vị là Curie (Ci), 1Ci=3,7×1010 phân rã/s. Đơn vị mới là Bequerel
(Bq), 1Bq = 1 phân rã/s, vậy 1Ci = 3,7×1010 Bq. Qui luật phân rã phóng xạ tuân theo
hàm mũ N = N0 e

-λt

-λt

hoặc A = A0 e , với N và A là số nguyên tử phóng xạ hay hoạt

độ phóng xạ tương ứng tại thời điểm t, N0 và A0 tại thời điểm t = 0 và λ là hằng số
đặc trưng cho tốc độ phân rã.
Chu kỳ bán hủy là thời gian hoạt độ phóng xạ giảm đi một nửa, t1/2 = ln2/λ =
0,6931/λ.
1.3.2.2. Liều hấp thụ
Liều hấp thụ D = dE/dm là năng lượng bức xạ được hấp thụ bởi một đơn vị
khối lượng vật chất. Đơn vị của liều hấp thụ trong hệ SI là Gray (ký hiệu là Gy), 1
Gy = 1J/kg, trước khi chấp nhận các đơn vị theo hệ SI, liều hấp thụ được đo bằng
đơn vị rad, 1 rad = 100 erg/g = 10-2 Gy hay 1Gy = 100 rad = 6,24 × 10 15 eV/g
Suất liều hấp thụ D là liều hấp thụ trong một đơn vị thời gian D = dD/dt. Đơn
vị Gy/s, kGy/h, rad/s, Mrad/h...

1.3.2.3. Liều chiếu xạ
Liều chiếu xạ X = dQ/dm, là khả năng ion hóa của tia X hoặc tia γ trong đơn
vị thể tích không khí. Đơn vị của liều chiếu trong hệ SI là C/kg. Đơn vị ngoài hệ SI
thường dùng là Roentgen (R), 1 R = 2,58 × 104 C/kg.
Suất liều chiếu xạ là khả năng ion hóa của bức xạ trong một đơn vị thời gian.
Đơn vị là C/kg/s hay R/s, R/h...
1.3.2.4. Hiệu suất hóa học bức xạ
Hiệu suất hóa học bức xạ (G) là số phân tử, ion, nguyên tử... được tạo thành
hay bị phân hủy khi hệ hấp thụ 100 eV năng lượng bức xạ.
Thông thường G được viết kèm theo ký hiệu chất biểu thị cho sự tạo thành hay
phân hủy, ví dụ G(Fe3+) hay G(K2Cr2O7)... Giá trị G được tính nếu như liều hấp thụ
và nồng độ chất tạo thành được biết. Đối với phản ứng hóa học bức xạ thông
thường giá trị G trong khoảng 10-15 phân tử/100 eV. Đối với phản ứng dây chuyền
giá trị G rất lớn có thể đến hàng triệu. Công thức tính giá trị G như sau:


11

G = (N/D) × 100, với N là số phân tử sản phẩm biến đổi (tạo thành hay phân hủy)
trong thể tích và D là liều hấp thụ trong thể tích đó tính bằng eV/ml [155].
1.3.3. Nguồn bức xạ
 Nguồn bức xạ gamma Co-60 được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghệ
bức xạ, cả trong công nghiệp và cho các mục đích trong y tế. Đồng vị Co-60
được chế tạo trong lò phản ứng hạt nhân từ Co-59 (n, γ), mất khoảng thời
gian từ 18-24 tháng tùy theo thông lượng nơtron trong lò phản ứng. Thời
gian bán rã là 5,26 năm. Hai tia gamma có năng lượng E1, E2 phát ra/phân rã,
E1=1,17MeV; E2=1,33MeV; E (tổng) = 2,5 MeV. Công suất P = 0,0148
W/Ci hoặc là 67,6 kCi/kW được tính từ hoạt độ phóng xạ 1Ci = 3,7 × 1010
phân rã/s và 1W-h = 2,25 ×1022 eV.
 Nguồn Cs-137, được tách từ nhiên liệu đã cháy của lò phản ứng hạt nhân

cũng được sử dụng nhưng ít thông dụng hơn. Thời gian bán rã là 30,1 năm.
Năng lượng bức xạ 1 tia gamma phát ra/phân rã, E = 0,662 MeV. Công suất
P = 0,00359 W/Ci hoặc là 253 kCi/kW
 Nguồn bức xạ không hạt nhân là dòng điện tử gia tốc phát ra từ các máy gia
tốc điện tử. Có nhiều loại máy gia tốc điện tử, nhưng nói chung trong công
nghệ bức xạ được phân thành 3 loại theo năng lượng thấp (0,1-0,5 MeV),
trung bình (0,5-3 MeV) và cao (>3,0 MeV).
So với nguồn Co-60 thì máy điện tử gia tốc có những ưu điểm như có
khả năng tắt mở, cường độ không thay đổi, suất liều cao. Tuy nhiên, khả
năng đâm xuyên thấp làm giảm tính đồng liều khi chiếu xạ vật liệu có độ dày
và tỉ trọng lớn.
1.3.4. Các quá trình xảy ra khi chiếu xạ polyme
1.3.4.1. Khâu mạch và cắt mạch
 Khâu mạch bức xạ
Biến tính vật liệu bằng bức xạ nhằm tạo ra sản phẩm mang nhiều đặc tính có
lợi bởi tác động của bức xạ đến vật liệu. Những thay đổi hóa học quan trọng khi
chiếu xạ polyme là đã tạo được liên kết liên phân tử gây nên quá trình khâu mạch,