Nghiên cứu tổng hợp màng chitosan nano fe3o4

Mục Lục
Chương I TỔNG QUAN..............................................................................................3
I.1 Tổng quan về nguồn nước ô nhiễm.......................................................................3
I.1.1 Các tác nhân gây ô nhiễm môi trường nước......................................................3
I.1.2 Tình trạng ô nhiễm nguồn nước ở nước ta do kim loại nặng............................4
I.1.3 Một số nguồn gây ô nhiễm kim loại nặng.........................................................5
I.2 Ảnh hưởng của các kim loại nặng đến môi trường và sức khỏe con người...........6
I.2.1 Ảnh hưởng của kim loại nặng đến môi trường..................................................6
I.2.2 Ảnh hưởng của kim loại nặng đến sức khỏe con người....................................7
I.3 Giới thiệu về Crom................................................................................................9
I.3.1 Nguồn gốc và sự phân bố của Crom.................................................................9
I.3.2 Tính chất độc hại của Crom............................................................................10
I.4 Một số phương pháp xử lý kim loại nặng trong nước..........................................11
I.4.1 Phương pháp kết tủa hóa học..........................................................................11
I.4.2 Phương pháp trao đổi ion................................................................................12
I.4.3 Phương pháp điện hóa.....................................................................................13
I.4.4 Phương pháp sinh học.....................................................................................13
I.5 Xử lý kim loại nặng trong nước bằng phương pháp hấp phụ...............................14
I.5.1 Hiện tượng hấp phụ.........................................................................................14
I.5.2 Một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ và giải hấp...........................15
I.6 Giới thiệu về vật liệu hấp phụ màng chitosan-nano Fe3O4...................................15
I.6.1 Giới thiệu về nano Fe3O4.................................................................................15
I.6.2 Giới thiệu về chitin-chitosan...........................................................................18
I.6.3 Một số nghiên cứu sử dụng màng chitosan-nano Fe3O4 làm vật liệu hấp phụ.
25


Luận văn tốt nghiệp
Chương II

MỤC ĐÍCH, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU..........26

II.1 Mục đích nghiên cứu.........................................................................................26
II.2 Nội dung nghiên cứu..........................................................................................26
II.3 Phương pháp nghiên cứu trong phòng thí nghiệm.............................................26
II.3.1 Dụng cụ và hóa chất........................................................................................26
II.3.2 Phương pháp xác định Cr6+.............................................................................27
II.3.3 Phương pháp và quy trình tạo màng chitosan-nano Fe3O4..............................28
II.3.4 Phương pháp xác định khả năng hấp phụ Cr6+ bằng màng chitosan-nano
Fe3O4.................................................................................................................... 29
Chương III

KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN...................................................................32

III.1

Kết quả đường chuẩn xác định Cr(VI) bằng phương pháp đo UV-Vis..........32

III.2

Kết quả khảo sát các yếu ảnh hưởng đến quá trình tạo màng........................33

III.3

Kết quả khảo sát các điều kiện ảnh hưởng đến hiệu suất hấp phụ Cr 6+..........35

Chương IV KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.................................................................38
Chương V

TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................38

Chương I

2


Luận văn tốt nghiệp
Chương I TỔNG QUAN
I.1

Tổng quan về nguồn nước ô nhiễm.
Ô nhiễm nước là sự thay đổi thành phần và chất lượng nước không đáp ứng

được các mục đích sử dụng khác nhau, vượt quá tiêu chuẩn cho phép và có ảnh
hưởng xấu đến đời sống con người và sinh vật. Làm giảm độ đa dạng sinh vật trong
nước.
I.1.1 Các tác nhân gây ô nhiễm môi trường nước.
Có nhiều tác nhân gây ô nhiễm môi trường nước:
- Trong nước thải đô thị luôn chứa một lượng lớn các ion Cl -, SO42-, Na+, K+…
- Trong nước thải công nghiệp, ngoài các ion kể trên còn có các chất vô cơ có
độc tính rất cao như các hợp chất của Hg, Pb, Cd, As, Sb, Cr, F.... Ngoài ra còn có
các tác nhân khác như :
a) Các chất hữu cơ:
- Các chất hữu cơ dễ bị phân hủy sinh học như: Cacbonhidrat, protein, chất
béo… thường có mặt trong nước thải sinh hoạt, nước thải đô thị, nước thải công
nghiệp chế biến thực phẩm. Chất hữu cơ dễ bị phân huỷ sinh học thường ảnh hưởng
có hại đến nguồn lợi thuỷ sản, vì khi bị phân huỷ các chất này sẽ làm giảm oxy hoà
tan trong nước, dẫn đến chết tôm cá ngay cả khi chúng có nồng độ rất thấp trong
môi trường.
b) Dầu mỡ:
- Dầu mỡ là chất khó tan trong nước, nhưng tan được trong các dung môi hữu

cơ. Chúng có thành phần hóa học rất phức tạp. Trong dầu thô còn có các hợp chất
lưu huỳnh, nitơ, kim loại. Do đó chúng có độc tính cao và tương đối bền trong môi
trường nước.

3


Luận văn tốt nghiệp
c) Các vi sinh vật gây bệnh:
- Các vi sinh vật này thường là vi khuẩn, virút, động vật đơn bào, giun sán.
Chúng có thể gây bệnh hay truyền bệnh cho con người. Một số vi sinh vật sống rất
lâu, dai có thể là mối nguy hiểm tiềm tàng cho con người.
I.1.2 Tình trạng ô nhiễm nguồn nước ở nước ta do kim loại nặng.
Theo báo cáo của Liên Hiệp Quốc đến năm 2020, nhu cầu nước ngọt phục vụ
cho các nền công nghiệp sẽ tăng gấp đôi so với hiện tại, nhu cầu của các hộ gia đình
cho sinh hoạt sẽ tăng 130%, 40% dân số thế giới sẽ sống ở những vùng thiếu nước
trầm trọng. Cụ thể là 70% diện tích trên trái đất là nước nhưng chỉ có 2,5% là nước
ngọt. Mặc khác, chỉ khoảng 01% nước ngọt dễ dàng tiếp cận còn lại tập trung ở các
sông và núi băng.
Tại Việt Nam, mức độ ô nhiễm và khan hiếm nước ngọt đang trong tình trạng
báo động, ảnh hưởng đến đời sống, sinh hoạt của người dân:
- Khoảng 17.2 triệu người ( 21.5 % dân số ) chưa được tiếp cận nguồn nước sạch
(theo Viện Y học lao động và Vệ sinh môi trường).
- Khoảng 9.000 người tử vong mỗi năm do nguồn nước và vệ sinh kém (theo
thống kê của Bộ Y tế và Bộ Tài nguyên – Môi trường).
- Khoảng 200.000 người mắc bệnh ung thư mới phát hiện mỗi năm mà một
trong những nguyên nhân chính là do ô nhiễm nguồn nước (theo thống kê của Bộ Y
tế và Bộ Tài nguyên – Môi trường).
- Khoảng 30% người dân chưa nhận thức được tầm quan trọng của nước sạch
(theo đánh giá của Bộ Y tế).

- Khoảng 21% dân số đang sử dụng nguồn nước bị nhiễm Asen (theo báo cáo
của Bộ Tài nguyên – Môi trường).
- Các nhà máy khai thác hàng triệu m 3 nước ngầm mỗi ngày cung cấp cho sinh
hoạt và sản xuất. Nhưng điều đáng lo ngại là nguồn nước đang bị nhiễm mặn,
nhiễm kim loại nặng và ô nhiễm rất nặng. Đặc biệt, các thành phố lớn như Hà Nội,
Tp HCM, Bình Dương, Đồng Nai, Hải Phòng, Cần Thơ, Đà Nẵng,…nguồn nước
đang bị ô nhiễm trầm trọng vượt quá mức cho phép gấp 3, 4 lần do tốc độ đô thị
hóa, công nghiệp hóa, ...(theo đánh giá của Cục Môi trường – Bộ Tài nguyên – Môi
trường). Do đó, việc xử lý nước tại các nhà máy, xí nghiệp, hay xử lý nước thải tập

4


Luận văn tốt nghiệp
trung tại các khu công nghiệp là điều thật sự cần thiết và đòi hỏi sự giám sát chặt
chẽ, thường xuyên của cơ quan chức năng.
I.1.3 Một số nguồn gây ô nhiễm kim loại nặng.
- Ô nhiễm KLN rất nguy hiểm, nguyên nhân gây ô nhiễm KLN chủ yếu từ các
hoạt động khai thác mỏ, sản xuất công nông nghiệp, khí thải từ các phương tiện di
chuyển của con người.
- Các nguồn gốc gây ảnh hưởng KLN đáng chú ý là từ thuốc từ sâu, phân bón,
bùn thải từ cống rãnh, các hoạt động khai thác mỏ.
a) Thuốc trừ sâu
- Thuốc trừ sâu vô cơ rất quan trọng trong nông nghiệp và cực kì cần thiết cho
cây trồng. Các hóa chất như arsenate, calci arsenate và đồng sulfate được sử dụng
để diệt các loại nấm, vi khuẩn gây bệnh và các loài động vật chân đốt. Thế nhưng
các ion kim loại này rất khó tan và chúng có xu hướng tích tụ lại trong nước. Chẳng
hạn như một vườn táo tại Ontario, sau khi kiểm tra người ta nhận thấy nồng độ Chì
khoảng 890ppm < 25ppm, nồng độ arsenic khoảng 126ppm < 10ppm cao hơn.
- Đã có những vụ ngộ độc thực phẩm do ăn phải những thực phẩm ô nhiễm này.

Hay những vụ chết động vật hàng loạt do uống và ăn phải nguồn thực phẩm nhiễm
ion kim loại.
b) Bùn cống rãnh
- Bùn cống rãnh thường được thu sau khi xử lý nước thải đô thị. Nó rất được ưa
chuộng vì chứa các chất hữu cơ và hàm lượng nito và photpho cao. Thế nhưng
lượng bùn thu được sau khi xử lý nước thải công nghiệp lại chứa một lượng lớn các
kim loại độc, chứng tỏ đã có sự biển đổi khủng khiếp trong quá trình xử lý nước.
Thế nên việc sử dụng bùn cho nông nghiệp và cây trồng, sẽ vô tình gây ảnh hưởng
ngược lại đến hạt giống và nguồn đất.

5


Luận văn tốt nghiệp
c) Hoạt động khai thác và sản xuất kim loại
- Các hoạt động khai thác mỏ để sản xuất kim loại cũng gây ảnh hưởng rất lớn
đến môi trường vì thải ra một lượng rất lớn kim loại độc. Tùy theo từng loại mỏ mà
kim loại nặng thải ra tương ứng. Nhưng đa số từng giai đoạn khai thác và sản xuất
đều thải ra một lượng kim loại độc đáng kể.
- Theo thống kê môi trường xung quanh lò nấu kim loại là gây ảnh hưởng nặng
nhất. Như là các lò nấu nikel- đồng ở Sudbury, xưởng đúc đồng ở Gusum, Thụy
Điển, lò nấu chì- kẽm ở Avenmouth, Anh. Cuộc khảo sát đã chỉ ra điểm chung ở các
lò này là: Sự xuất hiện kim loại ở gần nguồn bao nhiêu thì tỉ lệ gây ô nhiễm tăng
bấy nhiêu, có những vùng tỉ lệ tăng theo cấp số mũ, đặc biệt là ô nhiễm vùng đất.
Cây cối, thực vật bị suy giảm, sức sống bị suy yếu. Nguồn sinh thái bị giảm mạnh,
quá trình tạo khoáng bị chậm và yếu. Nguyên nhân chính là lượng kim loại độc thải
ra quá nhiều, gây ức chế và phá hủy các quá trình trao đổi chất cũng như hấp thu
chất dinh dưỡng của thực vật.
I.2

Ảnh hưởng của các kim loại nặng đến môi trường và sức khỏe con

người.
I.2.1 Ảnh hưởng của kim loại nặng đến môi trường.
- Với một hàm lượng nhỏ các kim loại nặng là những nguyên tố vi lượng rất cần
thiết cho sức khỏe con người, động vật cũng như thực vật. Chúng tham gia tạo nên
các enzym, vitamin, đóng vai trò rất quan trọng trong quá trình trao đổi chất…
nhưng khi một hàm lượng lớn thì có tính độc hại rất cao. Khi được thải ra môi
trường một số ion kim loại nặng tích tụ lại trong đất, bên cạnh đó cũng có những
ion kim loại khác lại được hòa tan bằng các tác nhân khác. Điều này, tạo điều kiện
cho ion kim loại nặng có thể phân tán rộng rãi đến nguồn nước, đất, mạch nước
ngầm,…
- Khi nguồn nước bị nhiễm kim loại nặng, vô tình sử dụng nguồn nước này tươi
tiêu cho cây trồng, các kim loại nặng đi qua nó. Do đó, kim loại nặng có thể đi vào
cơ thể nguồn bằng đường ăn uống, rất nguy hại đến cả sức khỏe con người lẫn cây

6


Luận văn tốt nghiệp
trồng. Khi đó, chúng sẽ làm ảnh hưởng đến hệ sinh thái gây hậu quả rất nghiêm
trọng mà con người khó có thể lường trước được.
- Về mặt sinh hóa, các kim loại nặng có ái lực lớn với các gốc –SH- và –SCH 3của các enzym trong cơ thể con người. Chúng làm cản trở quá trình tổng hợp
protein trong cơ thể do làm mất hoạt tính của các enzym.

- Tóm lại, ô nhiễm kim loại nặng làm suy thái nguồn tài nguyên nước, mạch
nước ngầm, đất, gây ảnh hưởng đến hệ sinh thái của động thực vật, thủy sinh. Gây
ra các bệnh tật, biến chứng đối với con người và đặc biệt làm chết các động thực
vật.
I.2.2 Ảnh hưởng của kim loại nặng đến sức khỏe con người.

Kim loại nặng khi đi vào cơ thể người sẽ liên kết với protein nằm lâu trong cơ
thể tạo thành phức kim loại- protein, tích tụ lâu và nhiều trong cơ thể sẽ gây nhiễm
độc.
Khả năng gây độc cũng phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố : độ tuổi, tình trạng sức
khỏe, y tế, cách sống, điều kiện sống, …
Nhiễm kim loại nặng gây ra nhiều bệnh nghiêm trọng: ung thư, các bệnh về thần
kinh, xương khớp, da,…
Ảnh hưởng của một số kim loại nặng đến sức khỏe con người :
a) Asen (As)
- Asen là một loại á kim màu xám bạc, rất độc khi ở dạng hợp chất. Asen không
gây mùi vị khó chịu, không màu, nên không thể phát hiện bằng cảm quan. Thường
tồn tại dưới dạng các hợp chất asenua và asenat. Trong cơ thể asen tồn tại ở dạng
Methyl asen (As3+).
- Trong khi Asen hữu cơ có nguồn gốc tự nhiên từ sự phân hủy các loài cá, hải
sản, không có độc tính và đào thải nhanh chóng khỏi cơ thể con người, thì Asen vô
cơ lại có độc tính rất mạnh được ví là ông vua của các loại chất độc.
7


Luận văn tốt nghiệp
- Trong tự nhiên, asen thường nằm ở lớp trầm tích của vỏ trái đất, vậy nên rất dễ
nhiễm vào mạch nước ngầm và nước bề mặt.
- Khi xâm nhập vào cơ thể người, dù một hàm lượng rất nhỏ cũng có thể gây ảnh
hưởng đến sức khỏe con người : gây hoại tử các vết loét ở tay, chân, làm rối loạn
sắc tố da, sừng hóa gan bàn tay, thậm chí liên quan đến bệnh tiểu đường, tim mạch,
ung thư bàng quang, ung thư gan.
* Asen có nhiều ứng dụng:
- Nhiều loại thuốc trừ sâu, chất độc trong nông nghiệp.
- Sử dụng trong nuôi dưỡng động vật, cụ thể là tại Hoa Kỳ như là phương pháp
ngăn ngừa bệnh và kích thích phát triển.

- Cũng được sử dụng trong kỹ thuật mạ đồng và pháo hoa…
b) Cadmium (Cd)
- Cadmium thuộc nhóm IIB của bảng phân loại tuần hoàn và là một kim loại quý
hiếm. Nó không có chứ năng sinh học thiết yếu lại có tính độc hại cao cho thực vật
và động vật. Cadmium thường tích tụ nhiều trong thận của con người, nó gây rối
loại chức năng thận. Cadium thường đi vào cơ thể người bằng con đường thức ăn
hằng ngày.
- Những nguồn đất bị ô nhiễm do Cd gây ra thường là những vùng khai thác mỏ,
nấu chảy Cd và Zn, ô nhiễm không khí từ các khu công nghiệp, ô nhiễm từ việc
phân hủy pin hay các vật dụng bằng nhựa, rác thải từ cống rãnh, hay việc đốt các
nguyên liệu hóa thạch.
- Cd có nhiều ứng dụng: làm tấm bảo vệ cho thép; trong những hợp kim khác;
trong chất màu ( cho các chất nhựa, lớp men, lớp tráng men và lớp kính); tạo chất
làm chắc cho lớp kính, lớp nhựa, lớp men; trong Ni-Cd làm pin khô và sử dụng
trong những tạp chất khác, kể cả những thanh điều khiển và lò phản ứng hạt nhân.
c) Chì (Pb)
- Chì là loại chất độc và có ảnh hưởng đến môi trường sinh thái. Chì thuộc nhóm
nguyên tố IV trong bảng hệ thống tuần hoàn, chúng thường tồn tại ở dạng Pb(II),
Pb(IV). Trong môi trường chúng tồn tại ở dạng ion Pb 2+ trong các hợp chất vô cơ lẫn

8


Luận văn tốt nghiệp
hữu cơ. Chì rất dễ cáng mỏng, dễ định hình nên thường được dùng rộng rãi trong
công nghiệp như ( sơn trong công nghiệp, ắc quy, luyện kim, xúc tác,..).
- Chì được sử dụng rộng rãi, khi được thải ra ngoài môi trường chúng thường
tồn tại rất lâu. Ảnh hưởng đến hệ sinh thái, chuỗi thức ăn cũng như là trao đổi chất
của con người, động vật và thực vật.Chì được biết là chất gây ảnh hưởng đến thần
kinh, trí não của trẻ nhỏ.

d) Thủy ngân (Hg)
- Thủy ngân được con người sử dụng hàng ngàn năm nay đặc biệt trong y sinh,
điều chế thuốc. Thế nhưng, thủy ngân là chất cực độc với con người và các động vật
bậc cao. Thủy ngân hữu cơ như ankyl Hg là chất cực độc với con người, loại methyl
Hg gây ảnh hưởng mạnh đến hệ thần kinh. Phát hiện đầu tiên độc tính của thủy
ngân là trường hợp ở tỉnh Mirnamata của Nhật Bản khi người dân bị ngộ độc do ăn
phải các có chức methyl Hg cao, hoặc một vài loài thú ăn phải cây có chứa methyl
Hg ở Đức (1948-1965).
I.3

Giới thiệu về Crom
I.3.1 Nguồn gốc và sự phân bố của Crom.
- Crom là nguyên tố thuộc chu kì 4, nhóm VIB, số thứ tự 24 trong hệ thống bảng

tuần hoàn. Có khối lượng nguyên tử là 51,996 đvC và cấu hình electron là
1s22s22p63s23p63d54s1. Crom có hóa trị từ 1 đến 6.
- Crom được tìm thấy đầu tiên ở dạng quặng Crom sắt (FeO.Cr2O3). Nó được
dùng trong luyện kim, mạ điện hoặc các chất nhuộm màu và thuộc da ... Gần một
nửa quặng cromit trên thế giới được khai thác tại Nam Phi, bên cạnh đó
Kazakhstan, Ấn Độ và Thổ Nhĩ Kỳ cũng là các khu vực khai thác đáng kể. Các trầm
tích cromit chưa được khai thác nhiều, nhưng về mặt địa lý chúng chỉ tập trung tại
Kazakhstan và miền nam châu Phi.
- Trong nước tự nhiên Crom thường tồn tại ở dạng là Cr(III) và Cr(VI)
- Cr(III) tồn tại ở dạng Cr(OH)2+, Cr(OH)2+ và Cr(OH)4- .
- Cr(VI) tồn tại ở dạng CrO42- và Cr2O72- .

9


Luận văn tốt nghiệp

- Crom là nguyên tố vi lượng không cần thiết cho cây trồng nhưng nó lại là
nguyên tố rất cần thiết cho động vật ở một lượng giới hạn nhất định, nếu hàm lượng
của nó vượt quá giới hạn nó sẽ gây rất độc hại. Crom đã được tìm thấy trong RNA
của một vài sinh vật với một khối lượng rất nhỏ. Sự vắng mặt của Crom trong sinh
vật có thể dẫn đến sự suy giảm độ bền protein liên hợp.
- Các hợp chất của crom được tìm thấy trong môi trường đất, nước do bào mòn
các đá, quặng chứa crom và có thể được cung cấp từ nguồn núi lửa. Nồng độ trong
đất trong khoảng 1 đến 3000 mg/kg, trong nước từ 5 đến 800µg/l, và trong sông và
hồ từ 26µg/l đến 5,2 mg/l.
- Mối quan hệ giữa Cr(III) và Cr(VI) phụ thuộc chủ yếu vào giá trị pH và các
đặc điểm oxy hóa của quặng nhưng trong hầu hết các trường hợp Cr(III) là chủ yếu,
mặc dù ở một vài nơi nước ngầm có thể chứa tới 39µg trong tổng crom với 30µg là
Cr(VI).
I.3.2 Tính chất độc hại của Crom.
- Trong nước, Crom tồn tại ở hai dạng Cr(III) và Cr(VI). Sự hấp thụ của Crom đi
vào cơ thể con người tuỳ thuộc vào trạng thái oxi hoá của nó. Cr(VI) hấp thụ qua dạ
dày, ruột nhiều hơn Cr(III) (mức độ hấp thụ qua đường ruột còn tuỳ thuộc vào dạng
hợp chất mà nó sẽ hấp thụ) và có thể thấm qua màng tế bào. Nếu lượng Cr (III) chỉ
hấp thụ được 1% thì lượng Cr(VI) có thể hấp thụ lên đến 50%. Tỷ lệ hấp thụ qua
phổi không xác định được, mặc dù có một lượng đáng kể đọng lại trong phổi và
phổi cũng là một trong những nơi chứa nhiều Crom nhất.
a) Phương thức nhiễm độc
- Có 3 con đường mà Crom có thể xâm nhập vào cơ thể : hô hấp, tiêu hoá và khi
tiếp xúc trực tiếp với da. Con đường xâm nhập và đào thải của Crom ở cơ thể người
chủ yếu qua con đường thức ăn, Cr(VI) đi vào cơ thể dễ gây biến chứng, tác động
lên tế bào tạo ra sự phát triển tế bào không nhân gây ung thư, tuy nhiên với hàm
lượng cao Crom làm kết tủa các protein, các axit nucleic và gây ức chế hệ thống
men cơ bản. Dù xâm nhập vào cơ thể theo bất kỳ con đường nào thì Crom cũng

10

Luận văn tốt nghiệp
được hoà tan vào trong máu ở nồng độ 0,001mg/l; sau đó chúng chuyển vào hồng
cầu và hoà tan nhanh trong hồng cầu từ 10 - 20 lần, từ hồng cầu Crom chuyển vào
các bộ phân khác, được giữ lại ở phổi, xương, thận, gan, phần còn lại chuyển qua
nước tiểu. Từ các cơ quan trong cơ thể Crom hoà tan dần vào máu, rồi được đào
thải qua nước tiểu khoảng vài tháng đến vài năm. Các nghiên cứu cho thấy con
người hấp thụ Cr(VI) nhiều hơn Cr(III) và độc tính của Cr(VI) lại cao hơn Cr(III)
gấp khoảng 100 lần. Nước thải sinh hoạt có thể chứa lượng Crom tới 0,7µg/ml mà
chủ yếu ở dạng Cr(VI) có độc tính với nhiều loại động vật có vú[26].
b) Tác hại của Crom
- Cr(VI) dù chỉ một lượng nhỏ cũng có thể gây ảnh hưởng đối với con người. Cụ
thể Crom có nồng độ lớn hơn giá trị 0,1mg/l gây rối loạn sức khoẻ như nôn mửa…
- Crôm và các hợp chất của crom chủ yếu gây các bệnh lý ngoài da. Bề mặt da là
bộ phận dễ bị ảnh hưởng và dễ tiếp xúc nhất, niêm mạc mũi dễ bị loét, phần sụn của
vách mũi dễ bị thủng. Khi da tiếp xúc trực tiếp vào dung dịch Cr(VI), chỗ tiếp xúc
dễ bị nổi phồng và loét sâu, có thể bị loét đến xương. Khi Cr(VI) xâm nhập vào cơ
thể qua da, nó kết hợp với protein gây ức chế các enzym và xảy ra phản ứng kháng
nguyên. Kháng thể gây hiện tượng dị ứng, tái phát bệnh. Khi Crôm xâm nhập theo
đường hô hấp dễ dẫn tới các bệnh về viêm yết hầu, viêm phế quản, viêm thanh quản
do niêm mạc bị kích thích (sinh ngứa mũi, hắt hơi, chảy nước mũi). Khi ở dạng
CrO3 hơi hoá chất này gây bỏng nghiêm trọng cho hệ thống hô hấp của người bị
nhiễm phải. Nhiễm độc Crom có khả năng bị ung thư phổi, ung thư gan, loét da,
viêm da tiếp xúc, xuất hiện mụn cơm, viêm gan, viêm thận, đau răng, tiêu hoá kém,
gây độc cho hệ thần kinh và tim…
- Những môi trường công việc có thể gây nhiễm độc Crom : luyện kim, sản xuất
nến, sáp, thuốc nhuộm, chất tẩy rửa, thuốc nổ, pháo, diêm, xi măng, đồ gốm, bột
màu, thủy tinh, chế tạo ắc quy, mạ kẽm, mạ điện và mạ Crom...

11


Luận văn tốt nghiệp
I.4

Một số phương pháp xử lý kim loại nặng trong nước.
- Cùng với sự phát triển của khoa học đã nghiên cứu ra rất nhiều cách để xử lý

KLN trong nước như phương pháp hóa học, hóa lý, sinh học. Song cách tốt nhất để
xử lý KLN hiệu quả nhất là xử lý chúng tại nguồn thải ra KLN trước khi thải chúng
ra môi trường.
I.4.1 Phương pháp kết tủa hóa học.
- Kết tủa hóa học là kỹ thuật thường dùng nhất để loại bỏ KLN hòa tan trong
nước thải. Phương pháp này dựa trên phản ứng hóa học giữa chất được đưa vào
nước thải với KLN cần tách, ở pH thích hợp sẽ tạo thành hợp chất kết tủa và được
tách ra khỏi nước thải bằng phương pháp lắng, lọc.
- Hiệu quả của phương pháp kết tủa hóa học phụ thuộc vào các yếu tố như sau:
các ion KLN, nồng độ của chúng trong nước thải, tác nhân gây kết tủa, điều kiện
phản ứng và các tác nhân cản trở.
Ưu điểm
+ Quá trình vận hành đơn giản

Nhược điểm
+ Thời gian xử lý chậm

+ Chi phí đầu tư thấp

+ Chiếm nhiều diện tích xử lý
+ Lượng bùn thải ra cao

+ Phải xử lý bùn chứ KLN
+ Yêu cầu phải có người giám sát liên tục
+ Kết tủa hydroxit kim loại Me(OH)n

I.4.2 Phương pháp trao đổi ion.
- Dựa trên nguyên tắc của phương pháp trao đổi ion dùng ionit là nhựa hữu cơ
tổng hợp, các chất cao phân tử có gốc hydrocacbon và các nhóm chức trao đổi ion.
Quá trình trao đổi ion được tiến hành trong cột cationit và anionit. Đây là phương
pháp cho hiệu suất cao, có thể thu hồi các sản phẩm có giá trị kinh tế. Ví dụ như quá
trình trao đổi ion Ni2+:
2(R-SO3H)+Ni2+ + (R-SO3)2Ni+H+

(1.1)
12


Luận văn tốt nghiệp
Trong đó: R- là gốc hữu cơ của nhựa trao đổi ion, SO 3 là gốc cố định của nhóm
ion hoạt động –SO3H+.
- Khả năng trao đổi sẽ giảm dần đến cạn kiệt khi toàn bộ các nhóm hoạt tính của
nhựa trao đổi ion bị thay thế bằng các ion kim loại. Để khôi phục khả năng trao đổi
ion người ta có thể rửa, vệ sinh vật liệu bằng các dung dịch có nồng độ cao của ion
trao đổi của ion H+, hay Na+ … tùy theo lớp lọc là H- cationit hay Na-cationit…
Ưu điểm
- Thu hồi có chọn lọc KLN

Nhược điểm
- Chi phí đầu tư cao

- Thể tích chất thải ít

- Vận hành phức tạp

- Thể tích chất tái sinh ít
- Thiết bị gọn nhẹ, đơn giản

I.4.3 Phương pháp điện hóa.
- Là quá trình dựa trên cơ sở oxy hóa khử để tách kim loại nhờ các điện cực
nhúng vào trong nước thải có chứa KLN khi cho dòng điện một chiều chạy qua.
Các cation chuyển dịch về catot, các anion chuyển dịch về anot. Khi điện áp đủ
lớn, phản ứng sẽ xảy ra ở mặt phân cách chất dung dịch điện cực:
Ở Catot: oxy hóa phát ra các electron: A- → A + eỞ Anot: Khử với việc thu các electron: C+ + e- → C
Với phương pháp này cho phép tách các ion kim loại ra khỏi nước thải, không
bổ sung hóa chất, mà lại thích hợp với loại nước thải có nồng độ KLN cao. Tuy
nhiên yêu cầu về năng lượng điện khá cao.
I.4.4 Phương pháp sinh học.
- Một số loài thực vật, vi sinh vật trong nước sử dụng KLN như chất vi lượng
trong quá trình phát triển sinh khối như bèo tây, bèo tổ ong, tảo … Với phương
pháp này, nước thải có nồng độ KLN nhỏ hơn 60 mg/l và bổ sung đủ chất dinh
dưỡng (nitơ, photpho), các nguyên tố vi lượng cần thiết khác cho sự phát triển của

13


Luận văn tốt nghiệp
các loài thực vật như rong tảo. Phương pháp này cần diện tích lớn, nồng độ KLN
nhỏ và nếu nước thải có lẫn nhiều kim loại thì hiệu quả xử lý kém.
I.5

Xử lý kim loại nặng trong nước bằng phương pháp hấp phụ.

I.5.1 Hiện tượng hấp phụ.
- Hấp phụ là quá trình tích lũy chất trên bề mặt phân cách các pha (khí – rắn,

lỏng – rắn, khí – lỏng, lỏng – lỏng). Chất có bề mặt trên đó xảy ra sự hấp phụ được
gọi là chất hấp phụ; còn chất được tích lũy trên bề mặt chất hấp phụ gọi là chất bị
hấp phụ.
- Trong xử lý nước thải có chứa KLN: Hấp phụ là một qúa trình truyền khối mà
trong đó các phần tử chất ô nhiễm (KLN,…) trong pha lỏng chuyển dịch đến bề mặt
pha rắn và được liên kết vào pha rắn. Chất ô nhiễm (KLN…) thâm nhập vào các
mao quản của chất rắn (chất hấp phụ) nhưng không thâm nhập vào cấu trúc mạng
tinh thể chất rắn. Sự liên kết giữa chất bị hấp phụ và chất hấp phụ có thể là liên kết
vật lý hay hoá học.
- Hiện tượng hấp phụ xảy ra do lực tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp
phụ. Tùy theo bản chất lực tương tác mà người ta phân biệt hai loại hấp phụ là hấp
phụ vật lý và hấp phụ hóa học.
a) Hấp phụ vật lý
- Các phân tử của chất bị hấp phụ liên kết với những tiểu phân (nguyên tử, phân
tử, các ion…) ở bề mặt phân chia pha bởi lực liên kết Van Der Walls yếu. Đó là tổng
hợp nhiều loại lực hút khác nhau: tĩnh điện, tán xạ, cảm ứng và lực định hướng.
- Trong hấp phụ vật lý, các phân tử của chất bị hấp phụ và chất hấp phụ
không tạo thành hợp chất hóa học (không hình thành các liên kết hóa học) mà chất
bị hấp phụ chỉ bị ngưng tụ trên bề mặt phân chia pha và bị giữ lại trên bề mặt chất
hấp phụ. Ở hấp phụ vật lý, nhiệt hấp phụ không lớn.
b) Hấp phụ hóa học
- Hấp phụ hóa học xảy ra khi các phân tử chất hấp phụ tạo thành hợp chất hóa
học với các phân tử chất bị hấp phụ. Lực hấp phụ hóa học khi đó là lực liên kết hóa

14

Luận văn tốt nghiệp
học thông thường (liên kết ion, liên kết cộng hóa trị, liên kết phối trí…). Nhiệt hấp
phụ hóa học lớn, có thể đạt tới giá trị 800kJ/mol.
- Trong thực tế sự phân biệt hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học chỉ tương đối vì
ranh giới giữa chúng không rõ rệt.
Ưu điểm
- Thu hồi chọn lọc kim loại

Nhược điểm
- Chi phí đầu tư cao

- Hiệu quả xử lý cao

- Quá trình tái sinh chất hấp phụ thì phức tạp

I.5.2 Một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ và giải hấp.
a) Ảnh hưởng của dung môi
- Hấp phụ trong dung dịch là khi chất tan bị hấp phụ càng mạnh thì dung môi bị
hấp phụ càng yếu. Dung môi có sức căng bề mặt càng lớn thì chất tan càng dễ bị
hấp phụ. Chất tan trong dung môi nước bị hấp phụ tốt hơn so với dung môi hữu cơ.
b) Ảnh hướng của nhiệt độ
- Khi tăng nhiệt độ thì quá trình hấp phụ trong dung dịch giảm. Tuy nhiên, đối
với những cấu tử bị tan hạn chế, khi tăng nhiệt độ, độ tan sẽ tăng làm cho nồng độ
của nó trong dung dịch tăng lên, do vậy khả năng hấp phụ có thể tăng lên. Bên cạnh
đó còn phụ thuộc một số yếu tố khác như sự thay đổi pH của dung dịch, bề mặt
riêng của chất bị hấp phụ.
c) Tính chất của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ
- Thông thường các chất phân cực dễ hấp phụ với bề mặt phân cực và các chất
không phân cực dễ hấp phụ với bề mặt không phân cực. Ngoài ra, độ xốp của chất
hấp phụ cũng ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ. Khi giảm kích thước mao quản

trong chất hấp phụ thì sự hấp phụ dung dịch thường tăng lên, nhưng đến kích thước
nào đó khi kích thước mao quản quá nhỏ sẽ cản trở việc đi vào của chất bị hấp phụ.

15


Luận văn tốt nghiệp
I.6

Giới thiệu về vật liệu hấp phụ màng chitosan-nano Fe3O4.
I.6.1 Giới thiệu về nano Fe3O4.
- Có rất nhiều loại của hạt nano từ tính hữu ích: Cobalt(Co)-và các hợp chất,

Sắt(Fe)-và các hợp chất của chúng, Oxit sắt từ (Fe3O4), Nitrit- Sắt (N-Fe), Nhôm
oxit-sắt oxit (Al2O3-Fe3O4), Mangan oxit-sắt oxit (MgO- Fe3O4), Nd-Fe-BNb-Cu...
[27].
- Oxit sắt từ có công thức Fe3O4 - vật liệu từ tính đầu tiên mà con người biết đến.
Từ những năm của thế kỷ IV người Trung Quốc đã khám phá ra rằng Fe 3O4 được
tìm thấy trong các khoáng vật tự nhiên có khả năng định hướng dọc theo phương
Bắc – Nam địa lý. Đến thế kỷ thứ XII họ đã sử dụng vật liệu Fe 3O4 làm la bàn, một
công cụ giúp xác định phương hướng có ích[28]. Trong tự nhiên oxit sắt từ không
những được tìm thấy trong các khoáng vật mà còn được tìm thấy trong cơ thể các
sinh vật : vi khuẩn Aquaspirillum magnetotacticum, ong, mối, chim bồ câu[34].
Chính sự có mặt của Fe3O4 trong cơ thể các sinh vật này đã tạo nên khả năng xác
định phương hướng mang tính bản năng của chúng.
- Fe3O4 đã được xếp vào nhóm vật liệu ferit có công thức tổng quát MO.Fe 2O3 và
có cấu trúc spinel, trong đó M là ion hoá trị II của kim loại như là: Fe, Ni, Co, Mn,
Mg hoặc Cu.
- Một trong những dạng oxit sắt được ứng dụng nhiều nhất trong xử lý nước
hiện nay là vật liệu oxit sắt từ.

 Hạt nano sắt từ hấp phụ kim loại trong nước được là do:
- Do trên bề mặt hạt có một lớp điện tích bề mặt, lớp điện tích này mang điện
tích dương trong môi trường có pH < 6,8 và mang điện tích âm trong môi trường
pH >6,8, taị giá trị pH=6,8 thì độ tích điện gần như bằng 0. Do đó chúng có khả
năng hấp phụ các ion mang điện trong nước như Pb(II), As(III) và As(V) lên bề mặt
hạt.

16


Luận văn tốt nghiệp
- Do tính liên kết bề mặt của hạt nano sắt từ nên chúng rất dễ liên kết với các
chất khác.
- Nhờ 2 tính chất này mà chúng có thể hấp phụ ion kim loại lên bề mặt dễ dàng.
Các hạt nano sắt từ được ứng dụng trong sinh học, trong xử lí nước bị ô nhiễm đặc
biệt nước bị nhiễm KLN và hấp thụ. Đối với hạt ôxit sắt, có rất nhiều nghiên cứu
chỉ ra các hạt này có khả năng hấp phụ ion độc hại trong nước, trong đó có thạch
tín. Nguyên lí hấp phụ được ở đây là tĩnh điện. Hạt nano khi ở môi trường dung
dịch phù hợp sẽ có điện tích bề mặt. Với hạt sắt từ, ở pH trung tính thì bề mặt của
hạt sẽ mang điện tích âm. Điện tích âm sẽ hút các ion thạch tín mang điện tích
dương lên bề mặt hạt. Vai trò của Fe 3O4 là tạo từ tính cho vật liệu đảm bảo vật liệu
sau hấp phụ được thu hồi dễ dàng bằng từ trường, đồng thời mở ra khả năng giải
hấp (cũng bằng từ trường) và tái sử dụng vật liệu[23].
Ví dụ như: Một nhà khoa học Nhật Bản của đại học Utsunomiya là Tiến sỹ
Yasuzo Sakai đã sử dụng hạt nano từ tính để lọc nước bằng cách cho một loại vi
khuẩn chuyên ăn các chất bẩn lơ lửng trong nước vào nước bẩn đã được hoà thêm
các hạt nano từ tính. Bình thường các vi khuẩn có tác dụng “thu gom” chất bẩn. Khi
đã ăn no chúng tự chìm xuống đáy (do trọng lực) và mang theo các chất bẩn đã thu
gom được do đó làm cho nước trở nên trong. Nhưng nếu trong nước có hạt nano từ
tính thì các vi khuẩn sẽ tự gom vào mình và các chất bẩn thông thường lẫn các hạt

nano. Khi đó, chỉ cần sử dụng một nam châm bên ngoài là ta có thể hút các vi khuẩn
này, làm cho chúng chìm xuống nhanh hơn và vì vậy cũng làm nước trong nhanh
hơn so với quá trình lắng đọng do hấp dẫn của trái đất một trăm lần. Hiện nay ông
đã thiết kế được một mô hình lọc nước và đang thử nghiệm ở Bangladesh.
Ngoài ra có rất nhiều ứng dụng trong y sinh như: Phân tách và chọn lọc tế bào
(ứng dụng ngoài cơ thể nhằm tách những tế bào cần nghiên cứu ra khỏi các tế bào
khác). Các ứng dụng trong cơ thể như là: dẫn thuốc, nung nóng cục bộ và tăng độ
tương phản trong ảnh cộng hưởng từ.

17


Luận văn tốt nghiệp
Việc kết hợp chitosan và Fe3O4 tạo thành vật liệu nano nhằm kết hợp khả năng
hấp phụ tốt của chitosan và khả năng thu hồi vật liệu hấp phụ sau khi xử lý đã được
nghiên cứu nhiều trên thế giới và Việt Nam, các tác giả đã nghiên cứu tổng hợp
nano Fe3O4/chitosan và ứng dụng xử lý Pb2+ và Ni2+ đạt kết quả tốt[30; 38].
I.6.2 Giới thiệu về chitin-chitosan.
a) Giới thiệu về chitin
- Chitin chủ yếu có trong vỏ cứng của các loài giáp xác như tôm, cua, mực, tảo
biển, vỏ của con bọ cánh cứng[11] … Vì vậy sản lượng của chitin là rất lớn, chỉ
đứng thứ hai sau xenlulo.
- Chitin có cấu trúc như là một polysacarit, hình thái tự nhiên là các tinh thể ở
trạng thái rắn, tùy thuộc vào mỗi loại nguyên liệu khác nhau, ta lại thu được các dẫn
xuất của chúng khác nhau. Bằng phương pháp nhiễu xạ tia X, người ta đã chứng
minh được rằng chitin tồn tại ở ba dạng cấu trúc khác nhau α, β, γ tinh thể chặt chẽ
và đều đặn, chỉ khác nhau ở sự sắp xếp các mạch phân tử của chúng trong tinh thể.
Chúng có cấu hình khác nhau là do sự phân bố không gian khác nhau của mỗi phân
tử mắt xích (glucosamin N- axetyl-D- Glucosamin) trong mạch chitin. α - chitin có
cấu trúc mạch tinh thể như mạch ghép đối song, β – chitin có cấu trúc mạch tinh thể

là mạch ghép song song, γ - chitin thì lại có cấu trúc tinh thể khác cứ hai ghép song
song lại có hai ghép đối song. Trong ba dạng cấu trúc thì α - chitin có cấu trúc bền
vững nhất do có các mắt xích đảo chiều riêng rẽ rất thuận lợi về mặt năng lượng và
không gian trong một số điều kiện nhất định, β - chitin , γ - chitin có thể chuyển
thành α- chitin. Ví dụ như khi ngâm β - chitin trong dung dịch axit clohidric ở nồng
độ cao ( >6N) sẽ chuyển thành α - chitin, khi ngâm γ - chitin trong dung dịch
Lithioxinat (LiSCN) bão hòa cũng chuyển thành α – chitin.

18


Luận văn tốt nghiệp

Hình Các kiểu sắp xếp trong mạch đại phân tử của chitin
α – CT: Các mạch được sắp xếp ngược chiều nhau đều đặn.
β – CT: Các mạch được sắp xếp song song.
γ – CT: Hai mạch song song rồi đến một mạch ngược chiều.
Các α - chitin có cả các liên kết hiđro giữa các nhóm chức trong cùng một mạch
polime với nhau và có liên kết hiđro giữa các nhóm chức của các mạch polime khác
nhau. β - chitin chỉ có duy nhất liên kết hiđro giữa các nhóm chức trong cùng một
mạch polime. β - chitin có khả năng trương nở cao trong nước. α - chitin được tìm
thấy ở vỏ tôm, cua, sam... β-chitin thường được tách từ nang mực ống, loại này
trong tự nhiên ít hơn nhiều so với α - chitin và γ – chitin thường được tác ra từ sợi
kén của bọ cánh cứng, nang mực, loại này thường rất ít trong tự nhiên. Hiện nay
phần lớn chitin được điều chế từ vỏ tôm, điều này là do sự sẵn có của nó. Từ vỏ tôm
người ta tiến hành tách protein, tách khoáng, loại bỏ chất màu (gọi chung là quá
trình loại bỏ tạp chất) và thu được chitin.Còn β - chitin có trong nang mực, γ - chitin
còn được tìm thấy trong dạ dày của mực nang, mực ống.
Bảng hàm lượng chitin có trong một số loài
STT

1
2
3
4
5
6

Tên loài
Mực
Nấm
Các loại giun
Bò cạp
Gián
Bọ cánh cứng dưới nước

Hàm lượng chitin (%)
3-20
5-20
20-38
30
35
37
19


Luận văn tốt nghiệp
7
8
9
10

Nhện
Tằm
Tôm
Cua

38
44
69
70

Hàm lượng chitin có trong vỏ cua, tôm, mai mực
STT

Nguồn CT

Loại CT

1
2

Vỏ tôm
Mai mực

α - chitin
β - chitin

Hàm lượng CT

Hàm lượng Ca và các

(%)
10
48,5

tạp chất khác (%)
90
51,5

- Do đó tôm cua là loại chứa nhiều chitin nhất. Điều này rất thuận lợi cho những
nước có ngành thủy sản phát triển trong việc khai thác và chế biến chintin.
- Ngoài ra chitin/chitosan và các dẫn xuất khác của chúng cũng có nhiều đặc tính
quý báu như: có hoạt tính kháng nấm, kháng khuẩn, có khả năng tự phân huỷ sinh
học cao, không gây dị ứng, không gây độc hại cho người và gia súc, có khả năng
tạo phức với một số kim loại chuyển tiếp như: Cu(II), Ni(II), Co(II)... Do đó, chitin
và một số dẫn xuất của chúng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực: trong
lĩnh vực xử lí nước thải và bảo vệ môi trường, dược học, y học, nông nghiệp, công
nghiệp, công nghệ sinh học…
- Là một nước giáp biển có điều kiện tự nhiên khá thuận lợi cho việc đánh bắt và
nuôi trồng thủy sản. Hàng năm sản lượng đánh bắt và nuôi trồng thủy hải sản ở
nước ta rất lớn, tính riêng với tôm, con số này đã đạt hàng trăm nghìn tấn/ năm.
Cùng với sản lượng tôm lớn như vậy thì một lượng chất thải không nhỏ của ngành
công nghiệp chế biến tôm, cũng phải tính thêm lượng cua, mực được khai thác và
sử dụng, so với tôm thì lượng này không lớn nhưng những phế thải của chúng
không thể bỏ qua, đây là một thách thức không nhỏ về môi trường vì vỏ tôm, cua,
mai mực chứa chitin nên rất khó phân hủy sinh học. May thay, đây lại là nguồn
nguyên liệu dồi dào và rẻ tiền để sản xuất chitin/chitosan. Do vậy, việc nghiên cứu

20

Luận văn tốt nghiệp
và áp dụng các sản phẩm dùng chitin/chitosan có ý nghĩa rất lớn về mặt kinh tế lẫn
môi trường, đó cũng chính là hướng phát triển bền vững và lâu dài.
b) Giới thiệu về chitosan
- Bằng các phương pháp phân tích phổ (phổ cộng hưởng từ hạt nhân -NMR, và
phổ hồng ngoại-IR) người ta xác định được cấu trúc của chitin/chitosan rất giống
với xenlulo, trong xenlulo, nhóm –OH ở vị trí C2 của mỗi đơn vị D-glucoza. Khi
thay nhóm –OH của xenlulo bằng nhóm –NHCOCH 3 ta được chitin, còn nếu thay
bằng nhóm –NH2 ta được chitosan.
- Chitosan là dẫn xuất của chitin được thu từ quá trình tách nhóm axetyl (–
COCH3) ra khỏi chitin, vì trên thực tế quá trình tách này thường không được hoàn
toàn nên người ta đã quy ước theo tỉ lệ tách nhóm axetyl như sau:
- Tỉ lệ tách nhóm axetyl < 50% thì được gọi là chitin.
- Tỉ lệ tách nhóm axetyl >50% thì được gọi là chitosan
Tên hóa học của chitin là Poly- β-(1-4) N axetyl- D glucosamin, hay còn được
gọi là Poly- β - (1- 4) - 2 - amino - 2- desoxy - D- glucosamin. Chitosan là dẫn xuất
deaxetyl của chitin, công thức cấu tạo theo lý thuyết như sau:

Công thức cấu tạo của Chitosan
Hay công thức phân tử đơn giản là (C6H11O4N)n.

21


Luận văn tốt nghiệp
c) Tính chất vật lý
- Chitosan là một chất rắn, xốp, nhẹ, hình vảy, có thể xay nhỏ tùy theo các kích
cỡ khác nhau, có màu trắng hay vàng nhạt, tồn tại dưới 2 dạng: dạng tinh thể và
dạng vô định hình không mùi, không vị. Chitosan không tan trong nước, kiềm đặc

và loãng, không tan trong cồn, axeton và các dung môi hữu cơ khác. Chitosan tan
tốt trong dung dịch axit loãng (pH = 6) và tạo thành dung dịch keo trong suốt, có
khả năng tạo màng tốt. Độ nhớt của chitosan trong dung dịch axit loãng phụ thuộc
vào kích thước và khối lượng phân tử trung bình (đây cũng là tính chất chung của
tất cả các dung dịch polime). Do khả năng tan tốt hơn chitin nên các ứng dụng của
chitosan cũng đa dạng hơn nhiều. Nhiều tính chất của chitosan phụ thuộc vào các
thông số của nó như khối lượng phân tử trung bình và độ deaxetyl, nên ta thường
phải đi xác định các thông số này.
d) Tính tan của chitosan
- Chitosan không tan trong nước, trong dung dịch kiềm đặc cũng như loãng,
trong phần lớn dung môi hữu cơ nhưng lại tan tốt trong dung dich loãng của axit
HCl, HI, HBr, HNO3 và HClO4, tan rất tốt trong dung dịch axit CH3COOH.
e) Tính chất hóa học của chitosan
- Trong phân tử chitin/chitosan có lẫn các nhóm chức –OH, –NHCOCH 3 trong
các mắt xích N-axetyl-D-glucozamin và nhóm –OH, nhóm –NH 2 trong các mắt xích
D-glucozamin có nghĩa chúng vừa là ancol vừa là amin, vừa là amit. Do đó, phản
ứng hoá học có thể xảy ra ở vị trí các nhóm chức tạo ra dẫn xuất thế O–, dẫn xuất
thế N–, hoặc dẫn xuất thế O–N.
- Mặt khác chitin/chitosan là những polime mà các monome được nối với nhau
bởi liên kết β-(1-4)-glicozit, liên kết này rất dễ bị cắt đứt bởi các chất hoá học như:
axit, bazơ, tác nhân oxy-hóa và các enzim thuỷ phân.
f) Cơ chế hấp phụ kim loại nặng của chitosan
Các nguyên tử O, N trong chitosan có chứa nhiều cặp điện tử tự vì có khả năng
tạo phối trí cao với hầu hết các ion kim loại chuyển tiếp: Cu, Ni, Co, Zn, Cd, Pb.

22


Luận văn tốt nghiệp
Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra được rằng: Khi cho chitosan vào nước sẽ xảy ra quá

trình tiếp xúc rắn - lỏng. Khi đó hình thành một lớp màng mỏng bao quanh hạt rắn
chitosan. Quá trình hấp phụ KLN bằng chitosan xảy ra theo các bước sau:
- Di chuyển các ion KLN từ trong lòng dung dịch tới bề mặt màng phân chia
pha. Quá trình này diễn ra nhờ khuếch tán đối lưu.
- Di chuyển các ion KLN qua lớp màng được bao quanh các hạt chitosan. Quá
trình này diễn ra nhờ khuếch tán phân tử.
- Khuếch tán các ion KLN trong các mao quản nằm bên trong hạt chitosan, bao
gồm quá trình khuếch tán bề mặt và quá trình khuếch tán mao quản. Quá trình
khuếch tán bề mặt, các ion KLN sẽ di chuyển từ tâm hấp phụ này đến tâm hấp phụ
khác. Quá trình khuếch tán mao quản, các ion KLN sẽ khuếch tán dọc theo các mao
quản đến tâm hấp phụ. Nhưng vì, chitosan có độ xốp nhỏ, số lượng mao quản
không nhiều nên quá trình khuếch tán ở đây chủ yếu là khuếch tán bề mặt.
- Quá trình hấp phụ: Ở đây xảy ra quá trình hấp phụ vật lý giữa các tâm hấp
phụ với ion KLN bằng các liên kết tĩnh điện, lực liên kết Vandervan và hấp phụ hóa
học nhờ các phản ứng tạo phức giữa các nhóm chức của chitosan với ion KLN. Nhờ
vào các nhóm chức -OH, -NH2 của chitosan có khả năng trao đổi proton với dung
dịch nước, nhờ đó mà nó mang điện tích và tham gia tạo phức với các ion KLN.
Mối liên kết này được tạo thành từ các liên kết cộng hóa trị giữa các ion KLN và
các nguyên tử O hay N có trong nhóm chức của chitosan, tạo thành các liên kết phối
trí. Trong môi trường có giá trị pH thấp sẽ làm cho các nhóm chức của chitosan
nhận thêm 1 proton để chuyển lên mức oxi hóa cao hơn và dẫn đến hút điện tử
mạnh hơn trong quá trình trao đổi các ion âm trong dung dịch. Ví dụ khi hấp phụ
các phức oxo.
R- NH2 + H+  R- NH3+
2R- NH3+ + Cr2O72-  R-NH3.Cr2O7.NH3-R

23


Luận văn tốt nghiệp

Như vậy tại môi trường axit, nhóm NH 2 của chitosan kết hợp với proton H+ trở
nên mang điện tích dương vì thế nó có khả năng tham gia liên kết tạo phức với
anion Cr2O72-. Dưới tác dụng của lực hút tĩnh điện, anion Cr 2O72- tiến đến gần cation
- NH3+ và tạo liên kết bằng cách đóng góp một điện tử, tạo thành phức không tan.
Ngược lại khi pH của dung dịch có giá trị cao lúc này các nhóm chức của
chitosan bị mất đi một proton H + và sẽ chuyển về mức oxi hóa thấp hơn và dẫn đến
quá trình trao đổi ion dương trong dung dịch.
g) Các ứng dụng của chitosan
 Ứng dụng trong y học và thực phẩm
- Chitosan có khả năng gây ức chế các hoạt động của một số loại vi khuẩn như
E.Coli. Một số dẫn xuất của chitosan tiêu diệt được một số loại nấm hại đến dâu tây,
cà rốt, đậu và có tác dụng tốt trong bảo quản các loại rau quả có vỏ cứng bên ngoài.
Có thể bảo quản các loại thực phẩm tươi sống, đông lạnh khi bao gói chúng bằng
các màng mỏng dễ phân hủy sinh học và thân thiện với môi trường. Trong thực tế
ngày nay, người ta đã sử dụng màng chitosan để đựng và bảo quản các loại rau quả
như đào, dưa chuột, đậu, bưởi v.v... Màng chitosan khá dai, khó xé rách, có độ bền
gần tương đương với một số chất dẻo vẫn được dùng làm bao gói.
- Nhờ vào tính ưu việt của chitosan, thêm với đặc tính không độc, tương thích
với cơ thể người, tự phân huỷ, nên chitosan đã được ứng dụng rộng rãi và có hiệu
quả trong kỹ thuật bào chế dược phẩm, làm thuốc chữa bỏng, giảm đau, thuốc hạ
cholesterol, thuốc chữa bệnh dạ dày, chống đông tụ máu, tăng sức đề kháng, chữa
xương khớp và chống được cả bệnh ung thư.
 Ứng dụng trong xử lý nước
- Nước thải từ hoạt động khai thác mỏ, mạ kim loại, nhà máy điện, chế tạo thiết
bị điện và đặc biệt hơn là hoạt động của các tổ hợp nhiên liệu hạt nhân, các cơ sở
quốc phòng, v.v... có chứa các KLN có độc tính cao như Crôm, Cadimi, Chì, Thuỷ
ngân, Nikel, Đồng… cần phải được xử lý trước khi thải ra ngoài môi trường. Các
phương pháp như: kết tủa hoá học, oxy hoá-khử, lọc cơ học, trao đổi ion, tách
màng, hấp phụ trên vật liệu than… là những phương pháp được sử dụng rộng rãi để
tách KLN.

24


Luận văn tốt nghiệp
- Hấp phụ sinh học là phương pháp dùng các vật liệu sinh học để thực hiện quá
trình tách kim loại hay các hợp chất và các hạt ra khỏi dung dịch. Trong những năm
gần đây phương pháp này được đánh giá là một trong những phương pháp hiệu quả
về cả kinh tế và kĩ thuật để loại bỏ các KLN gây nhiễm bẩn nguồn nước mặt và
nhiều loại nước thải công nghiệp. Có nhiều loại chất hấp phụ khác có khả năng tách
kim loại ra khỏi dòng thải với chi phí thấp nhưng trong đó chitosan lại có dung
lượng hấp phụ cao nhất. Chitosan có khả năng hấp phụ tốt các kim loại nặng do có
nhóm amino tự do trong cấu trúc chitosan được tạo thành khi tiến hành deactyl hoá
chitin. Các phức chelat của nó làm cho khả năng hấp phụ kim loại tăng lên gấp 5-6
lần so với chitin. Và đặc biệt khi ghép một số nhóm chức vào khung cấu trúc của
chitosan sẽ làm tăng khả năng hấp phụ kim loại của chitosan lên nhiều lần.
I.6.3 Một số nghiên cứu sử dụng màng chitosan-nano Fe 3O4 làm vật liệu
hấp phụ.
- Một nhóm nghiên cứu thuộc Phòng nghiên cứu kỹ thuật công trình của quân
đội Mỹ kết hợp cùng Trung tâm nghiên cứu & quản lý chất thải của Ủy ban quản lý
tài nguyên thiên và Trường đại học Tổng hợp Illinois đã kết hợp một loại vật liệu
hấp phụ sinh học với màng chitosan trên nhôm oxit. Vật liệu màng chitosan đã biến
tính trên giá thể compoxit sứ - nhôm oxit hấp phụ đạt kết quả 153,8mg Cr(VI)/g
(với nồng độ ban đầu của Cr(VI) đều ở 1000mg/l). Các yếu tố ảnh hưởng như cấu
trúc lỗ, độ phân bố kích thước lỗ xốp và giá trị pH tới dung lượng hấp phụ rất rõ rệt.
Ở giá trị pH thấp, dung lượng hấp phụ tăng. Sự có mặt của ion sunfat và clorua ở
nồng độ cao sẽ làm giảm khả năng hấp phụ của kim loại[16].
- Ở Việt Nam trong những năm gần đây các nhà nghiên cứu trong nước đã bắt
đầu quan tâm đến chitin/ chitosan. Nhiều cơ sở nghiên cứu như: Đại học thủy sản
Nha Trang, trung tâm Cao phân tử - Viện Khoa học Tự nhiên và Công nghệ Quốc

gia, Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội...đã tiến hành nghiên
cứu, tách chiết chitin, chitosan từ vỏ tôm phế thải và chuyển hóa thành nhiều sản
phẩm có giá trị ứng dụng cao trong thực tế.

25