Nghiên cứu chế tạo và khảo sát khả năng hấp phụ kim loại năng của hạt gel chitosan từ vỏ ghẹ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH

NGUYỄN THỊ MỸ LỘC

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT KHẢ
NĂNG HẤP PHỤ KIM LOẠI NẶNG CỦA HẠT
GEL CHITOSAN TỪ VỎ GHẸ

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

VINH - 2019


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH

NGUYỄN THỊ MỸ LỘC

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT KHẢ
NĂNG HẤP PHỤ KIM LOẠI NẶNG CỦA HẠT
GEL CHITOSAN TỪ VỎ GHẸ
Chuyên ngành: Hóa học hữu cơ
Mã số: 8.44.01.14

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

Người hướng dẫn khoa học:
PGS. TS. LÊ ĐỨC GIANG

VINH - 2019

i

LỜI CẢM ƠN
Luận văn này đƣợc hồn thành tại Phịng thí nghiệm Hóa hữu cơ –
Trung tâm Thực hành thí nghiệm, trƣờng Đại học Vinh và phịng Thí nghiệm
Trung tâm Y tế Dự phòng tỉnh Nghệ An. Trong suốt thời gian học tập, nghiên
cứu và hồn thành luận văn, tơi đã nhận đƣợc sự quan tâm của các thầy, cô
giáo, đồng nghiệp, ngƣời thân và bạn bè.
Tôi xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với PGS.TS. Lê Đức
Giang đã định hƣớng, chỉ bảo, nhiệt tình giúp đỡ tơi trong suốt q trình học
tập và nghiên cứu thực hiện đề tài.
Tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy, cơ giáo ngành Hóa học, Viện sƣ
phạm Tự nhiên đã giúp đỡ tơi trong q trình học tập cũng nhƣ hồn thành
luận văn này.
Tơi xin trân trọng cảm ơn Ban lãnh đạo Trung tâm Y tế Dự phòng tỉnh
Nghệ An đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và nghiên
cứu thực hiện đề tài.
Cuối cùng với lòng biết ơn sâu sắc nhất xin dành cho gia đình, bạn bè
đã giúp đỡrất nhiều về vật chất và tinh thần để bản thân tơi hồn thành đƣợc
chƣơng trình học tập cũng nhƣ đề tài luận văn.
Vinh, ngày 25tháng 07 năm 2019
Học viên

Nguyễn Thị Mỹ Lộc


ii

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................. i
MỤC LỤC ....................................................................................................................... ii
Danh mục các ký hiệu và viết tắt ................................................................................... iv
Danh mục các hình vẽ và đồ thị ...................................................................................... v
Danh mục các bảng ........................................................................................................ vi
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1
1. Lý do chọn đề tài .................................................................................................... 1
2. Nhiệm vụ của luận văn ........................................................................................... 2
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN ...................................................................................... 3
1.1.Tổng quan về chitosan .......................................................................................... 3
1.1.1. Cấu trúc hóa học của chitosan ...................................................................... 3
1.1.2. Tính chất vật lý của chitosan ........................................................................ 4
1.1.3. Tính chất hóa học của chitosan .................................................................... 8
1.2. Tình hình nghiên cứu và sản xuất chitosan.......................................................... 8
1.3. Phƣơng pháp điều chế chitosan ......................................................................... 10
1.3.1. Deaxetyl hóa chitin bằng phƣơng pháp hóa học ........................................ 10
1.3.2. Deaxetyl hóa chitin bằng phƣơng pháp enzym .......................................... 11
1.3.3. Deaxetyl hóa chitin bằng phƣơng pháp hỗ trợ vi sóng............................... 11
1.4. Phƣơng pháp chế tạo hạt gel chitosan................................................................ 12
1.4.1. Phƣơng pháp tạo gel vật lý ......................................................................... 12
1.4.2. Phƣơng pháp tạo gel liên kết cộng hóa trị với chitosan ............................. 12
1.5. Ứng dụng của chitosan và hạt gel chitosan ....................................................... 12
1.6. Mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt .............................................................................. 13
CHƢƠNG 2. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM ................. 16
2.1. Nguyên liệu, hóa chất ........................................................................................ 16
2.2. Dụng cụ, thiết bị ................................................................................................. 16
2.3. Phuơng pháp nghiên cứu và thực nghiệm.......................................................... 16
2.3.1. Điều chế chitosan từ vỏ ghẹ ....................................................................... 16
2.3.2. Chế tạo hạt gel chitosan có kích thƣớc nhỏ ................................................ 18

2.3. Khảo sát cấu trúc hóa học, hình thái học, độ bền nhiệt của hạt gel chitosan .... 19
2.4. Khảo sát khả năng hấp phụ ion kim loại của hạt gel chitosan .......................... 20
2.4.1. Chuẩn bị nƣớc thải nhân tạo ....................................................................... 20
2.4.2. Khảo sát khả năng hấp phụ ......................................................................... 20
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ........................................................... 22
3.1. Kết quả điều chế chitosan từ vỏ ghẹ .................................................................. 22
3.1.1. Khảo sát ảnh hƣởng của nồng độ NaOH .................................................... 22
3.1.2. Khảo sát ảnh hƣởng của thời gian phản ứng .............................................. 23
3.1.3. Khảo sát cấu trúc hóa học ........................................................................... 23


iii

3.2. Kết quả điều chế hạt gel chitosan ...................................................................... 25
3.2.1. Khảo sát cấu trúc hóa học ........................................................................... 25
3.2.2. Khảo sát cấu trúc tinh thể ........................................................................... 25
3.2.3. Khảo sát hình thái học ................................................................................ 26
3.2.4. Khảo sát độ bền nhiệt ................................................................................. 27
3.3. Khảo sát khả năng hấp phụ ion kim loại ............................................................ 29
3.3.1. Thời gian đạt cân bằng hấp phụ ................................................................. 29
3.3.2. Hiệu suất hấp phụ ....................................................................................... 30
3.3.3. Mơ hình và phƣơng trình hấp phụ cân bằng.............................................. 31
KẾT LUẬN ................................................................................................................... 33
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 34
PHỤ LỤC ...................................................................................................................... 38


iv

Danh mục các ký hiệu và viết tắt

Ký hiệu

Diễn giải

F-AAS

Phƣơng pháp phổ hấp thụ nguyên tử

LOQ

Giới hạn định lƣợng của phƣơng pháp

SEM

Kính hiển vi điện tử quét (scanning electron microscope)

TGA

Phân tích trọng lƣợng theo nhiệt độ


v

Danh mục các hình vẽ và đồ thị
Hình 1.1. Cấu trúc hóa học của chitosan ......................................................... 3
Hình 2.1.Hình ảnh q trình chế tạo hạt gel chitosan .................................... 19
Hình 3.1.Phổ hồng ngoại của chitosan ........................................................... 24
Hình 3.2.Phổ hồng ngoại của hạt gel chitosan ............................................... 25
Hình 3.3.Giản đồ XRD của chitosan và hạt gel chitosan ............................... 26
Hình 3.4. Ảnh SEM của chitosan từ ghẹ (a) và hạt gel chitosan (b) độ phóng

đại 2.000 lần .................................................................................................... 26
Hình 3.5. Ảnh SEM của chitosan từ ghẹ (a) và hạt gel chitosan (b) độ phóng
đại 50.000 lần .................................................................................................. 27
Hình 3.6. Ảnh SEM của gel chitosan độ phóng đại 50.000 lần (a) và độ phóng
đại 100.000 lần (b) .......................................................................................... 27
Hình 3.7.Giản đồ TGA của chitosan .............................................................. 28
Hình 3.8.Giản đồ TGA của hạt gel chitosan .................................................. 29
Hình 3.9.Ảnh hƣởng của thời gian đến hàm lƣợng Pb2+ trong dung dịch ..... 30
Hình 3.10.Ảnh hƣởng thời gian đến hiệu suất hấp phụ.................................. 30
Hình 3.11.Đƣờng hấp phụ đẳng nhiệt ............................................................ 31


vi

Danh mục các bảng
Bảng 3.1.Ảnh hƣởng của nồng độ NaOH đến độ nhớt và hiệu suất .............. 22
Bảng 3.2.Ảnh hƣởng của thời gian đến độ nhớt và hiệu suất ........................ 23
Bảng 3.3.Ảnh hƣởng của thời gian đến hàm lƣợng ion Pb2+ trong dung dịch29
Bảng 3.4.Ảnh hƣởng của nồng độ dung dịch Pb2+ ......................................... 31
Bảng 3.5. Bảng tham số nhiệt động học ......................................................... 32


1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Việt Nam là một đất nƣớc có bờ biển dài, đẹp sản lƣợng đánh bắt hải
sản hàng năm vô cùng to lớn là điều kiện thuận lợi để chế biến thủy hải sản
xuất khẩu. Nhƣ vậy, tất yếu một lƣợng phế thải không nhỏ bị vứt bỏ, thối rửa
và do đó gây ơ nhiễm môi trƣờng. Mặt khác khi ăn các loại hải sản, ta thƣờng

vứt bỏ những bộ phận tƣởng chừng khơng có tác dụng gì nhƣ mai mực, vỏ ốc,
vỏ tơm, vỏ cua, vỏ sam... Tuy nhiên, một số hợp chất có trong các phế phẩm
đó lại là vị thuốc đƣợc dùng phổ biến trong y học.
Chitin- chitosan là những polime thiên nhiên đƣợc ứng dụng rộng rãi
nhất. Chitin-chitosan là polysacarit có nhiều trong các loại giáp xác nhƣ: vỏ
tôm, cua, ghẹ, mai mực, vỏ sam, ... là những phế liệu rất sẵn có ở Việt Nam.
Chitosan là một polime sinh học có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực nhƣ:
cơng nghiệp thực phẩm, nông nghiệp, sinh học, công nghiệp giấy và còn là
nguyên liệu quan trọng trong việc điều chế glucosamin[17, 24, 25, 32].
Chitosan hầu nhƣ không tan trong các dung mơi thơng thƣờng nên làm hạn
chế ứng dụng của nó trong nhiều lĩnh vực.
Do trong cấu trúc của chitosan có sự hiện diện của nhóm hydroxyl (OH) và nhóm amin (-NH2) có khả năng tạo liên kết với các nhóm chức khác
nên chitosan thƣờng đƣợc dùng làm chất mang trong ngành dƣợc phẩm. Bên
cạnh đó, chitosan cịn đƣợc ứng dụng vào lĩnh vực môi trƣờng, dùng làm chất
hấp phụ sinh học để tách các ion kim loại nặng ra khỏi nƣớc thải. Đã có một
số đề tài nghiên cứu đề cập đến khả năng hấp phụ kim loại trong nƣớc thải
của chitosan, đồng thời khảo sát những yếu tố ảnh hƣởng đến hiệu suất hấp
phụ nhƣ: pH, nhiệt độ môi trƣờng, nồng độ kim loại, thời gian tiếp xúc của
chất hấp phụ với ion kim loại, tốc độ khuấy,... nhƣng thƣờng sử dụng chất hấp
phụ là những hạt chitosan liên kết ngangvới kích thƣớc lớn (từ 2,5 mm đến 4


2

mm)[36]. Ở pH dƣới 5,5 chitosan tạo gel làm giảm khả năng hấp phụ ion kim
loại nặng cũng nhƣ khó xử lý hỗn hợp sản phẩm sau khi hấp phụ do vậy một
số hóa chất đã đƣợc sử dụng để làm bền hạt chitosan bằng cách tạo liên kết
ngang trong hạt chitosan nhƣ: Epichlorohydrin, glutarandehit, natri tripolyphosphat,… Hạt chitosan liên kết ngang kích thƣớc nhỏ thu đƣợc chẳng
những khơng tan trong dung dịch axit mà cịn có tính chất cơ lý bền hơn[30,
34]. Trên lý thuyết, khi đƣờng kính của hạt chất hấp phụ càng nhỏ thì hiệu

suất hấp phụ càng lớn do tổng diện tích bề mặt hấp phụ tăng lên, do đó, khả
năng hấp phụ của hạt chitosan liên kết ngang kích thƣớc nhỏ sẽ lớn hơn hạt có
kích thƣớc lớn (sử dụng cùng một khối lƣợng chất hấp phụ ban đầu). Do đó,
nghiên cứu chế tạo hạt gel chitosan để hấp phụ ion kim loại đã và đang thu
hút sự chú ý của nhiều nhà khoa học trong nƣớc và quốc tế. Vì vậy, chúng tơi
chọn đề tài: ―Nghiên cứu chế tạo và khảo sát khả năng hấp phụ ion kim
loại nặng của hạt gel chitosan từ vỏ ghẹ‖.
2. Nhiệm vụ của luận văn
- Điều chế chitosan từ vỏ ghẹ bằng phƣơng pháp thủy nhiệt và đun
nóng bằng lị vi sóng;
- Khảo sát cấu trúc hóa học của chitosan và hạt gel bằng phổ hồng
ngoại;
- Chế tạo hạt gel chitosan có kích thƣớc khác nhau bằng phƣơng pháp
cơ học, siêu âm và tạo liên kết ngang;
- Khảo sát hình thái học của hạt gel chitosan bằng kính hiển vi điện tử
quét;
- Khảo sát khả năng hấp phụ ion Pb2+ bằng phƣơng pháp phổ hấp thụ

nguyên tử F-AAS (theo TCVN 6193:1996).


3

CHƢƠNG 1.TỔNG QUAN
1.1.Tổng quan về chitosan
1.1.1. Cấu trúc hóa học của chitosan
Năm 1859, Rouget đã cơng bố ―chitin biến tính‖ khi đung chitin trong
môi trƣờng kiềm[16]. Năm 1894, Hoppe Seyler gọi vật liệu này là chitosan và
cấu trúc đƣợc giải thích năm 1950. Chitosan có trữ lƣợng nhiều thứ 2 trong tự
nhiênvà polyme xuất hiện trong vi sinh vật (nấm, mem rƣợu, vi tảo), các côn

trùng (gián, ong mật, con tằm, vỏ loài giáp xác) trong các loài động vật biển
(động vật chân đốt, loài giáp xác, động vật thân mềm)[33].
Chitosan là một loại polyme sinh học biến tính, đƣợc chuyển hóa từ
q trình deaxetyl hóa một phần chitin. Chitosan là polysacarit mạch thẳng
bao gồm N-axetyl-2-amino-2-deoxy-D-glucopyranose (đơn vị axetyl) và 2amino 2-deoxy-D-glulopyranose (đơn vị deaxetyl), chúng đƣợc liên kết với
nhau bằng liên kết β-(1→4)-glycosidic. Chitosan thu đƣợc từ quá trình
deaxetyl hóa kiềm của chitin và độ deaxetyl hóa chitin trong khoảng từ 60100%[11, 13, 33].

Hình 1.1. Cấu trúc hóa học của chitosan [1]
Nhƣ vậy, chitosan có cấu trúc tƣơng tự nhƣ cellulose và chitin, chỉ khác
ở nhóm chức ở vị trí cacbon số 2. Cellulose và chitin lần lƣợt chứa nhóm


4

hydroxyl (-OH) và nhóm N-axetylamin (-NHCOCH3), trong khi chitosan
chứa hầu nhƣ nhóm amino (-NH2).
1.1.2. Tính chất vật lý của chitosan
Chitosan là một chất rắn, xốp, nhẹ, ở dạng bột có màu trắng ngà, ở
dạng vảy có màu trắng trong hay màu hơi vàng. Chitosan có tính kiềm nhẹ,
khơng tan trong nƣớc, trong kiềm nhƣng hịa tan trong axit axetic lỗng sẽ tạo
thành một dung dịch keo nhớt trong suốt [13, 33].
1.1.2.1. Độ nhớt
Thông thƣờng, độ nhớt của dung dịch chitosan bị ảnh hƣởng nhiều yếu
tố nhƣ nhiệt độ, pH, nồng độ, trọng lƣợng phân tử, mức độ deaxetyl hóa và
phƣơng pháp chiết. Với nhiệt độ, khi nhiệt độ của dung dịch chitosan tăng thì
độ nhớt của dung dịch giảm. Trong trƣờng hợp tăng hàm lƣợng chitosan thì
độ nhớt tăng. Trong mơi trƣờng axit, chitosan đóng vai trị là chất tăng cƣờng
độ nhớt tuyệt vời. Loại axit sử dụng hòa tan chitosan thơng qua chỉ tiêu pH,
nó ảnh hƣởng trở lại độ nhớt của dung dịch. Độ nhớt nội tại của chitosan đóng

vai trị quan trọng trong việc lƣu trữ và ổn định của nó. Về cơ bản, độ nhớt
nội tại liên quan đến khả năng dung dịch trở nên nhớt với dung môi và nhiệt
độ phù hợp và tỷ lệ thuận với trọng lƣợng phân tử trung bình polyme. Độ
nhớt nội tại có thể đƣợc đánh giá bằng cách sử dụng phƣơng trình MarkHouwink:
[ ]
Trong đó, η là độ nhớt nội tại của dung dịch chitosan
k và α là các hằng số đồng phân polyme
Mw là phân tử khối trung bình
Cấu trúc hình cầu của chitosan đƣợc xác định α = 0, cuộn ngẫu nhiên α
= 0,5-0,8, cuộn cố định α = 1,8. Hơn nữa, độ nhớt của chitosan cũng ảnh


5

hƣởng đến các đặc tính y sinh nhƣ băng viết thƣơng và phân hủy sinh học
[35].
1.1.2.2. Khối lượng phân tử
Khối lƣợng phân tử của chitosan ảnh hƣởng lớn đến tính chất hóa lý
của polyme sinh học. Thơng thƣờng, khối lƣợng phân tử của chitosan đƣợc
giao ƣớc bằng trung bình của tất cả các phân tử có mặt trong mẫu và đƣợc
tính tốn bằng sự hỗ trợ của các kỹ thuật tiên tiến nhƣ tán xạ ánh sáng, NMR,
độ nhớt, sắc ký thẩm thấu gel. Khối lƣợng phân tử của chitosan thấp hay cao
đều ảnh hƣởng đến tính chất hóa lý nhƣ độ nhớt, độ ẩm, tính chất nhiệt và độ
ổn định. Nhƣ các chuỗi chitosan có chiều dài ngắn có khối lƣợng phân tử thấp
cho nên chúng tƣơng tác kém với axit sulfuric nóng và do đó mức độ thủy
phân thấp hơn các chuỗi chitosan dài hơn. Ngoài ra, chitosan khối lƣợng phân
tử thấp có khả năng xâm nhập vào bên trong tế bào vi khuẩn do đó ức chế sự
giải mã RNA dẫn đến tế bào chết[12, 19]. Hơn nữa, mức độ deaxetyl hóa làm
giảm khối lƣợng phân tử của chitosan [27]. Tỷ lệ khối lƣợng phân tử và khối
lƣợng phân tử trung bình cho thấy tính đồng nhất của polyme, giá trị độ đồng

nhất polyme tốt trong khoảng từ 0,85 đến 1,15. Ngoài ra, chitosan khối lƣợng
phân tử cao có tính ổn định hơn. Nhiều yếu tố khác nhƣ ổn định nhiệt, nhiết
độ, pH và sự cắt cơ học của chitosan đều chịu ảnh hƣởng của khối lƣợng phân
tử của chitosan và góp phần ảnh hƣởng đến chỉ số độ đồng nhất[14].
1.1.2.3. Độ deaxetyl hóa
Mức độ deaxetyl hóa là một tính chất cực kỳ quan trọng của chitosan vì
nó ảnh hƣởng đến hầu hết tất cả các tính chất khác ở mức độ đáng kể. Nhiều
nghiên cứu phƣơng pháp sản xuất chitosan khác nhau cho thấy hầu hết các
tính chất bao gồm các tính chất vật lý nhƣ độ nhớt, nhiệt, trƣơng nở, tính ổn
định và độ hịa tan, pH của dung dịch và mức độ phản ứng bị ảnh hƣởng rất
lớn bởi mức độ deaxetyl hóa. Các kết quả cho thấy nhiệt độ và thời gian của


6

q trình deaxetyl hóa có thể thay đổi cấu trúc đặc trƣng dẫn đến sự thay đổi
trong hóa lý cũng nhƣ hoạt tính sinh học của nó. Mật độ điện tích dƣơng cao
trên chuỗi polyme dẫn đến mức độ khử axetyl cao khoảng 97,5%, từ đó đóng
vai trị quan trọng trong hoạt tính kháng khuẩn tốt so với mức độ axetyl thấp
hoặc trung bình khoảng 83,7%[26].Trên thực tế, mức độ deaxetyl hóa là tỷ lệ
glucosamin với các đơn vị N-axetylated glucosamine. Về mặt thƣơng mại,
mức độ deaxetyl thích hợp của chitosan là 75-98% cho mục đích y sinh và các
ngành công nghiệp sản xuất dƣợc phẩm. Trong khi, độ deaxetyl hóa cao và độ
tinh thiết cao đƣợc quan tâm hơn trong nghiên cứu khả năng phân hủy. Điều
này là do thực tế, chitosan với mức độ deaxetyl cao không gây viêm do ái lực
thấp hơn với enzym và do đó cho thấy tốc độ phân hủy bởi enzym chậm hơn
so với mức độ thấp hơn[14]. Ngoài ra, tăng nồng độ của dung dịch kiềm,
nhiệt độ và thời gian phản ứng có thể làm tăng mức độ deaxetyl của chuỗi
polyme [27, 38].
1.1.2.4. Độ ổn định hoặc phân hủy của polyme

Tính ổn định cũng là một tính chất quan trọng của chitosan. Sự phân
hủy của chuỗi chitosan xác định tính ổn định của nó trong các điều kiện khác
nhau. Thơng thƣờng, trong quá trình thủy phân axit ở pH thấp, chuỗi polyme
của chitosan bị phân cắt và do đó làm phân hủy polyme. Cơ chế phân cắt liên
quan đến quá trình khử polyme sau đó là deaxetyl bằng cách tách các liên kết
β-1,4-glucosid, sau đó là liên kết N-axetyl glucosamine. Sự khử liên kết này
dẫn đến việc tạo ra các loại gốc tự do trong dung dịch, từ đó gây ra các phản
ứng oxy hóa. Mặt khác, kết quả sự tăng deaxetyl hóa dẫn đến giảm khối
lƣợng phân tử. Sau khi phân tách, xuất hiện các lực hấp dẫn liên phân tử
mạnh giữa chúng tạo liên kết chéo giữa các chuỗi có thể làm thay đổi cấu trúc
và các tính chất dựa trên cấu trúc của nó. Sự phân hủy của chitosan chủ yếu
phụ thuộc vào mức độ deaxetyl hóa, khối lƣợng phân tử, nhiệt độ, độ ẩm, độ


7

đồng đều và mức độ tinh khiết. Bên cạnh đó, sự phân hủy in vivo của chitosan
có thể đƣợc thực hiện bởi một số enzym nhƣ lysozyme, một loại protease có
trong tế bào động vật có vú, tạo ra oligosacarit khơng độc hại và có thể đƣa
vào glycoprotein và glycosaminoglycan. Trong trƣờng hợp này, sự phân hủy
chitosan trong ống nghiệm có thể đƣợc thực hiện trong các điều kiện đƣợc
kiểm sốt bằng các phản ứng hóa học khác nhau nhƣ oxy hóa và thủy phân
enzym để thu đƣợc chitosan khối lƣợng phân tử thấp[14].
1.1.2.5. Tính chất nhiệt
Nhiệt độ cao có thể làm thay đổi tính chất hóa lý của dung dịch
chitosan nhƣ độ hòa tan, độ nhớt, thay đổi cấu trúc, v.v... Nói chung, đun
nóng dung dịch polyme gây ra sự phân hủy và mất ổn định. Sự phân hủy này
do gia nhiệt quá mức ở các tốc độ khác nhau đƣợc gọi là sự phân hủy nhiệt và
có thể đƣợc đo bằng phân tích nhiệt lƣợng (TGA) của dung dịch. Sự phân hủy
này có thể xảy ra trong ba bƣớc:

- Ở nhiệt độ 30-110oC, sự bay hơi diễn ra để loại bỏ độ ẩm khỏi dung
dịch polyme.
- Ở nhiệt độ 180-340oC, quá trình phân hủy diễn ra.
- Ở nhiệt độ 470oC, xảy ra sự giảm khối của chitosan.
Tuy nhiên, ngƣời ta đã phát hiện ra rằng các tính chất hóa lý của
chitosan khơng bị ảnh hƣởng dƣới nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh. Ngồi ra,
nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh tăng cao dẫn đến sự gia tăng khối lƣợng phân
tử của chitosan. Theo nhƣ ứng dụng y sinh, nhiệt độ của chitosan khơng đƣợc
vƣợt q 100oC vì sự gia nhiệt q cao và khơng đƣợc kiểm sốt có thể gây ra
sự đổi màu cũng nhƣ sự khử màu làm thay đổi độ nhớt của nó[14].
1.1.2.6. Khả năng hút ẩm và trương nở
Chitosan có thể hình thành liên kết hydro với nhóm chức có mặt trong
phân tử nhƣ –NH2 và –OH với nguyên tử O và nguyên tử H của phân tử nƣớc.


8

Tốc độ hút nƣớc có thể đƣợc xác định bởi độ ẩm vốn có trong mẫu và các
điều kiện bảo quản. Hàm lƣợng nƣớc có trong chitosan khơ tăng lên khi độ
deaxetyl hóa giảm. Khả năng trƣơng nở của chitosan giảm khi tăng nồng độ
tác nhân tạo liên kết ngang [35]. Ngồi ra, độ nhớt, độ nén và độ nóng chảy bị
ảnh hƣởng bởi hàm lƣợng nƣớc đƣợc hấp thụ và làm giảm nhẹ độ bền kéo.
Tuy nhiên, hàm lƣợng nƣớc 6% (về khối lƣợng) có thể tăng khả năng liên kết
do tƣơng tác tác của liên kết hydro yếu. Có cơng bố cho thấy, chitosan bảo
quản trong thời gian dài có thể làm tăng độ ẩm của chitosan nhƣng nó làm
giảm khả năng liên kết với nƣớc cũng nhƣ làm tăng thời gian phân hủy [18].
1.1.3. Tính chất hóa học của chitosan
Chitosan phản ứng với axit đậm đặc tạo thành muối khó tan. Chitosan
tác dụng với iốt trong mơi trƣờng H2SO4 cho phản ứng lên màu tím, đây là
phản ứng dùng trong phân tích định tính chitosan.

Chitosan có tính kháng nấm, kháng khuẩn cao.
Chitosan có tính chất cơ học tốt, khơng độc, dễ tạo màng, có thể tự
phân hủy sinh học, có tính hịa hợp sinh học cao với cơ thể.
Hạt nano chitosan có đặc tính của chitosan và các tính chất của hạt
nanon nhƣ bề mặt và hiệu ứng mặt phân cách, kích thƣớc nhỏ và các hiệu ứng
kích thƣớc lƣợng tử. Bởi vì, hạt nano chitosan có tiềm năng lớn.
1.2. Tình hình nghiên cứu và sản xuất chitosan
Việc nghiên cứu về dạng tồn tại, cấu trúc, tính chất lý hóa úng dụng của
chitosan đã đƣợc cơng bố từ những năm 30 của thế kỷ XX. Những nƣớc đã
thành công trong lĩnh vực nghiên cứu sản xuất chitosan đó là: Nhật Bản, Mỹ,
Trung Quốc, Ấn Độ, Pháp.
Ở Việt Nam, việc nghiên cứu và sản xuất chitosan và ứng dụng của
chúng trong sản xuất phục vụ đời sống là một vấn đề tƣơng đối mới mẻ ở
nƣớc ta. Vào những năm 1978 -1980, trƣờng Đại học Thủy sản Nha Trang đã


9

cơng bố quy trình sản xuất chitosan của tác giả Đỗ Minh Phụng đã mở đầu
bƣớc ngoặt quan trong trong việc nghiên cứu, tuy nhiên chƣa có ứng dụng nào
thực tế trong sản xuất.Đinh Thị Huyền Trang và cộng sự [7] đã nghiên cứu
chế tạo hạt nano chitosan – TPP tải insulin bằng phƣơng pháp tạo gel ion, kết
quả cho thấy tại điều kiện môi trƣờng pH = 3,5, nồng độ chitosan đạt 1
mg/ml, tỷ lệ khối lƣợng giữa chitosan và natri tripolyphophate là 4:1 cho độ
phân bố kích thƣớc hạt tốt nhất và hiệu suất tải insulin nồng độ 50 µg/ml là
91,6%. Từ Thị Trâm Anh và cộng sự [1] đã tiến hành tổng hợp chitosan trong
nƣớc ứng dụng trong y sinh bằng phản ứng axetyl hóa chitosan với anhydride
axetic có mặt xúc tác pyridine. Nguyễn Thị Minh Nguyệt và cộng sự [6] đã
tiến hành tổng hợp nano chitosan, kết quả thử bào tử nấm cho thấy cho thấy
bào tử nấm Colletrotrichum musae phân lập từ quả chuối tiêu bị ức chế hoàn

toàn ở nồng độ nano chitosan 1%. Lê Nguyễn Đoan Duy và cộng sự [2] đã
tiến hành nghiên cứu ứng dụng chitosan để ức chế nấm Colletotrichum
gloeosporioides phân lập từ xồi cát Hịa Lộc bị bệnh thán thƣ, kết quả cho
thấy dung dịch chitosan 1% có khả năng ức chế nấm Colletotrichum
gloeosporioidestốt với pH = 5. Lê Hồng Giang và cộng sự [3] đã tiến hành
nghiên cứu hiệu quả của chitosan lên sự sinh trƣởng của cụm chồi và cây con
lan Hồ điệp (Phalaenopsis sp.), kết quả cho thấy việc bổ sung chitosan 5 – 25
mg/l có hiệu quả lên sinh trƣởng của cụm chồi lan Hồ điệp với số chồi, chiều
cao chồi gia tăng tƣơng đối và tỷ lệ tạo rễ đều đạt các giá trị cao, làm tăng
chiều cao và sự hình thành rễ mới của cây con lan Hồ điệp in vitro. Nguyễn
Quốc Hiến và cộng sự [4] đã tiến hành nghiên cứu chế tạo oligochitosan bằng
phƣơng pháp chiếu xạ gamma Co-60, kết quả cho thấy oligochitosan thu đƣợc
có tiềm năng ứng dụng nhƣ là chất chống oxi hóa tự nhiên. Bùi Văn Hồi và
cộng sự [5] đã tiến hành thủy phân chitosan bằng xenlulaze tạo


10

chitooligosaccariy nhằm tăng độ hòa tan trong nƣớc của chitosan và tiềm
năng ứng dụng cho các sản phẩm tốt cho sức khỏe con ngƣời.
1.3. Phƣơng pháp điều chế chitosan
Chitin thô đƣợc tìm thấy trong hỗn hợp gồm lipid, protein, khống và
sắc tố. Do đó phải thực hiện tinh chế để thu đƣợc dạng chitin tinh khiết. Quá
trình chiết xuất chitin bao gồm khử khoáng, khử protein và khử màu. Chitin
đƣợc deaxetyl hóa để thu đƣợc chitosan. Các q trình này đƣợc thực hiện
theo 2 bƣớc, bƣớc đầu tiên là loại bỏ hợp chất hữu cơ và bƣớc thứ hai là loại
bỏ canxi carbonat. Ngày nay, chitosan đƣợc điều chế bằng phƣơng pháp
deaxetyl hóa chitin bằng phƣơng pháp hóa học và phƣơng pháp enzym.
1.3.1. Deaxetyl hóa chitin bằng phương pháp hóa học
Trƣớc đây, chitosan đƣợc chiết xuất hóa học từ thành tế bào nấm bằng

phƣơng pháp xử lý kiềm và axit. Trong q trình đó, thành tế bào chủ yếu là
protein, lipit và chitosan đƣợc xử lý đầu tiên với dung dịch NaOH 2-4% trong
thời gian từ 15-120 phút ở 100oC. Sau đó ngun liệu chứa chitosan (khơng
tan trong kiềm) đƣợc xử lý với dung dịch CH3COOH 2-10% trong thời gian
từ 1-24 giờ ở 25-95oC. Thành phần của thành tế bào khơng hịa tan trong mơi
trƣờng kiềm và trong mơi trƣờng axit đƣợc gọi là ―chitosan nấm‖ [10, 20].
Về mặt hóa học, deaxetyl hóa có thể đạt đƣợc bằng xử lý rửa và tinh
chế chitin với dung dịch 25% và 50% NaOH theo tỷ lệ 1:5 (w/v) ở 80 – 100oC
trong 5-10 giờ. Sau đó rửa sản phẩmdeaxetyl bằng nƣớc đề ion cho đến pH
trung tính và sấy trong tủ sấy chân không ở 60oC[29].Akram Zamani và cộng
sự [9]đã tách chitosan từ nấm Zygomycetes, thành tế bào Rhizomucor pusillus
bằng axit sunphuric làm mơi trƣờng hịa tan nó. Từ các nghiên cứu của ơng
cho thấy 45,3% chitosan có thể đƣợc tách từ thành tế bào nấm khi xử lý với
H2SO4 1% trong 20 phút. Sau đó xử lý với dung dịch NaOH ở 121 oC. Ngƣợc
lại, ông cũng kết luận rằng nguyên liệu trong dung dịch axitaxetickhông chứa


11

chitosan trong khi nguyên liệu tan trong kiềm-axit chứa chitosan và phosphat
là nguồn chính hịa tan trong axitaxetic. Hơn nữa, chitosan xuất hiện trong 8%
sinh khối và 45,3% nguyên liệu không tan trong kiềm.
Các nguyên liệu thô chứa chitosan đƣợc gom lại, rửa sạch, sấy khô,
nghiền thành hạt mịn.
1.3.2. Deaxetyl hóa chitin bằng phương pháp enzym
Chitin deaxetylase là xúc tác enzym thƣờng đƣợc sử dụng để chuyển
hóa chitin thành chitosan bằng q trình deaxetyl hóa khử Naxetylglucosamine, q trình này ngày càng đƣợc quan tâm nhờ có khả năng
điều chế các oligomer và polyme chitosan từ oligomer chitin hoặc tiền xử lý
chitin. Nó lần đầu tiên đƣợc xác định và tinh chế một phần từ nấm Mucor
rouxii[39], Mortierella sp. [22]. Sau đó, hoạt tính của enzym này cịn đƣợc

tìm thấy trong các loại nấm khác và trong một số loại cơn trùng và chủng vi
khuẩn.
1.3.3. Deaxetyl hóa chitin bằng phương pháp hỗ trợ vi sóng
Gần đây, ngƣời ta phát hiện ra rằng ba bƣớc chiết xuất chitin cũng có
thể đạt đƣợc bằng cơ chế hỗ trợ vi sóng nhƣ một phƣơng pháp tiết kiệm thời
gian và thân thiện với môi trƣờng. Knidri và cộng sự [23]đã sản xuất thành
công chitosan sau khi deaxetyl hóa với sự hỗ trợ của vi sóng, với mức độ
deaxetyl hóa là 82,73% chỉ trong 24 phút. Điều này khá tốt so với phƣơng
pháp thông thƣờng khi mức độ deaxetyl hóa là 81,5% mất thời gian 5-10 giờ.
Q trình sản xuất chitosan từ chitin thƣờng khơng loại bỏ tuyệt đối
đƣợc lƣợng protein và khống dù có tăng nồng độ và thời gian xử lý. Quá
trình tinh sạch chitosan có thể đƣợc thực hiện bằng phƣơng pháp sắc ký điều
chế, dùng siêu lọc hoặc phƣơng pháp hòa tan và kết tủa lại trong dung môi
axit[8].


12

1.4. Phƣơng pháp chế tạo hạt gel chitosan
1.4.1. Phương pháp tạo gel vật lý
Phƣơng pháp tạo gel vật lý dựa trên tính chất lý hóa của chính phân tử
chitosan, các anion polyme kết hợp lại với nhau để thu đƣợc các gel vật lý
khơng có liên kết cộng hóa trị [21]. Moussaoui và các cộng sự [28] đã chế tạo
các hạt gel chitosan bằng cách kết tủa lại chitosan khi nhỏ từng giọt dung dịch
chitosan/axitaxetic vào dung dịch NaOH 3M.
1.4.2. Phương pháp tạo gel liên kết cộng hóa trị với chitosan
Một số tác nhân tạo liên kết ngang thƣờng đƣợc sử dụng nhƣ
glutarandehit, ethylen glycol diglycidyl ether, glyoxal và epichlorohydrin.
Glutarandehit, là một chất có giá thành thấp và có khả năng tạo liên kết chéo
với nhóm amin của chitosan [37]. Oshita và các cộng sự thu đƣợc chitosan tạo

liên kết với etylen glycol diglycidyl ete có tác dụng hiệu quả để loại bỏ thủy
ngân và các ion kim loại khác trong điều kiện axit[31].Tuy nhiên, chitosan bị
hịa tan trong mơi trƣờng axit nên ứng dụng để loại các ion kim loại ở pH thấp
gặp nhiều khó khăn. Glutarandehit có giá thành thấp, khả năng phản ứng tạo
cầu liên kết cao khi tồn tại dạng thẳng, nhờ hai nhóm cacbonyl trong
glutarandehit phản ứng với các nhóm amin trong chitosan để tạo liên kết chéo
ổn định.
1.5. Ứng dụng của chitosan và hạt gel chitosan
Chitosan đƣợc ứng dụng nhiều do khơng độc, có khả năng phân hủy
sinh học và có khả năng kháng khuẩn. Nó đƣợc sử dụng trong cơng nghiệp
dƣợc, nơng nghiệp, kỹ thuật di truyền, công nghiệp thực phẩm, xử lý rác thải
môi trƣờng, xử lý nƣớc, công nghiệp giấy, ảnh ...[13]. Kết quả nghiên cứu cho
thấy chitosan thơ có khả năng hấp phụ tối đa 0,052 mgAs/g. Trong khi đó, các
vật liệu chitosan biến tính đƣợc sử dụng hiệu quả nhƣ là những chất hấp phụ
để tách các dạng asen trong nƣớc. Báo cáo trong một tài liệu cho thấy proton


13

trong nhóm amin của chitosan cho phép nó nhƣ là một chất hấp phụ cation
cho thuốc nhuộm anionvà các anion kim loại nhƣ crom hóa trị VI đặc biệt
trong mơi trƣờng axit trong đó các nhóm amin đóng vai trị là vị trí liên kết
với các kim loại. Thêm vào đó, hỗn hợp chitosan/chitin cịn đƣợc sử dụng để
loại bỏ các anion khác nhau cùng với asen. Nói chung việc tăng cƣờng các
liên kết ngang giúp tăng khả năng hấp phụ và độ ổn định trong các điều kiện
pH khác nhau.
Kết quả nghiên cứucho thấy hiệu quả của hợp chất hydrogel mạng
polyme bán xen kẽ nền chitosan đƣợc dùng để hấp phụ các anion và cation
thuốc nhuộm. Chitosan tạo liên kết ngang với glutarandehit có thể đƣợc sử
dụng để loại bỏ asen trong nƣớc. Chitosan đƣợc ngâm tẩm với các kim loại

khác nhau nhƣ sắt, molypden có thể đƣợc sử dụng chọn lọc cho quá trình loại
asen trong hệ thống nƣớc. Chen và Chung[15]đã nghiên cứu ảnh hƣởng của
pH và nhiệt độ đến quá trình hấp phụ asen, kết quả cho thấy pH tối ƣu để loại
bỏ As (V) và As (III) là 5,0 và ít hiệu quả với các ion có nồng độ thấp hơn 50
mg/L.
Chitosan glutarandehit cịn đƣợc sử dụng để thu hồi các kim loại khác
nhƣ cadimi, molypden, vanadin và paladi. Chitosan cho thấy khả năng hấp
phụ khoảng 1,8-2,2 mmol/g ion Cu2+.
1.6. Mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt
Quá trình hấp phụ bao gồm quá trình loại bỏ chất hấp phụ khỏi pha khí
hoặc dung dịch và nồng độ của nó trên bề mặt chất hấp phụ thay đổi cho đến
khi đạt đƣợc trạng thái cân bằng giữa lƣợng chất cịn lại trong pha khí hoặc
dung dịch với ở trên bề mặt chất hấp phụ.
Trong trƣờng hợp cân bằng dung dịch, lƣợng chất bị hấp phụ trên một
đơn vị trọng lƣợng chất hấp phụ (Qe) là một hàm của nồng độ và có thể tính
tốn bằng phƣơng trình 1.1:


14

Trong đó:
Qe là lƣợng chất hấp phụ đƣợc ở trạng thái cân bằng
Ce là nồng độ chất bị hấp phụ còn lại trong dung dịch ở trạng thái cân bằng
C0 là nồng độ ban đầu của chất bị hấp phụ,
V là thể tích dung dịch,
m là khối lƣợng chất hấp phụ (g)
Đƣờng hấp phụ đẳng nhiệt là một biểu đồ biểu diễn quá trình hấp phụ xảy ra
ở bề mặt khí hoặc dung dịch ở nhiệt độ khơng đổi. Đƣờng hấp phụ đẳng nhiệt cho ta
thông tin quan trọng về cân bằng hấp phụ và giúp dự đoán mức độ hấp phụ của chất
hấp phụ.

Mơ hình hấp phụ Langmuir đƣợc phát triển bởi Irving Langmuir cung cấp
phƣơng trình cân bằng đơn giản cho sự hấp phụ đơn lớp. Nó đƣợc phát triển để mơ
tả hấp phụ pha rắn – khí của than hoạt tính. Sau đó phát triển để mơ tả q trình hấp
phụ của các chất hịa tan trong hệ dung dịch – rắn. Mơ hình Langmuir mơ tả sự hấp
phụ đơn lớp của các bề mặt tƣơng đƣơng và giống hệt nhau.
Đƣờng biểu diễn của mơ hình đẳng nhiệt Langmuir là một hàm hyperbol:

Trong đó: Q: dung lƣợng hấp phụ ứng với nồng độ C (mg/g);
Q0: dung lƣợng hấp phụ cực đại đơn lớp trên một khối lƣợng chất bị
hấp phụ (mg/g);
C: nồng độ chất bị hấp phụ còn lại trong dung dịch (mg/l);
K: hằng số cân bằng hấp phụ Langmuir (phụ thuộc vào bản chất hệ hấp
phụ và nhiệt độ).
Mơ hình đẳng nhiệt Freundlich giải thích mối quan hệ theo cấp số nhân
giữa khả năng hấp phụ của chất hấp phụ và nồng độ chất bị hấp phụ. Trong
khi mơ hình đẳng nhiệt Langmuir cho kết quả tốt ở nồng độ thấp đến trung


15

bình thì mơ hình Freundlich cho kết quả tốt ở nồng độ cao. Mơ hình này cũng
giả định phạm vi của sự hấp phụ trên bề mặt chất hấp phụ là đơn lớp

Trong đó: k và n là hằng số Freundlich
Mơ hình đẳng nhiệt Sip là dạng biến đổi của mơ hình Freudlich
đƣợc áp dụng cho hấp phụ trong dung dịch và cũng đƣợc giả định là sự
hấp phụ diễn ra đơn lớp. Tuy nhiên nó đƣợc dùng để dự đốn q trình
hấp phụ của chất hấp phụ khơng đồng nhất, đƣợc mơ tả theo phƣơng
trình:

Trong đó: Qmax: là dung lƣợng hấp phụ cực đại,
C là nồng độ của dung dịch sau khi cân bằng
K là hằng số cân bằng
n là tham số biểu thị tính khơng đồng nhất bề mặt


16

CHƢƠNG 2.PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM
2.1. Nguyên liệu, hóa chất
- Nguyên liệu: Vỏ ghẹ phế thải ở vùng biển Cửa Lị, Nghệ An
- Hố chất:
- Ethanol
- DungdịchNaOH1%,
- Dung dịch KMnO4 0.1%
- Oxalic axit 0.2%.
- Dung dịch NaOH 55%
- Dung dịch HCl 5%,
- Glutarandehit
2.2. Dụng cụ, thiết bị
- Bình cầu, ống sinh hàn hồi lƣu;
- Máy khuấy từ gia nhiệt nhiệt kế (Đức);
- Tủ sấy chân không (Đức);
- Thiết bị đo độ nhớt Brookfield (Mỹ).
2.3. Phuơng pháp nghiên cứu và thực nghiệm
2.3.1. Điều chế chitosan từ vỏ ghẹ
Quá trình điều chế chitosan đƣợc thực hiện gồm 5 bƣớc:
 Bƣớc 1: Rửa vỏ ghẹ
Vỏ ghẹ đƣợc rửa bằng vòi nƣớc nƣớc nóng rồi sấy khơ trong tủ sấy
chân khơng ở 60ºC. Sau đó đem xay thành bột mịn.

 Bƣớc 2: Đề protein hóa
20 g bột vỏ ghẹ đƣợc ngâm trong 100 ml dung dịch NaOH 1M ở nhiệt
độ phòng trong 2 giờ để loại bỏ các protein và các chất hữu cơ khác. Sau đó,
mẫu đƣợc rửa sạch bằng nƣớc cất đến trung tính và sấy khơ trong tủ sấy chân
không ở 60ºC đến khối lƣợng không đổi.


17

 Bƣớc 3: Khử khoáng
Vỏ ghẹ sau khi đề protein hóa đƣợc ngâm với 100ml dung dịch HCl
2M trong 24 giờ ở nhiệt độ phòng để hòa tan canxi cacbonat. Sau đó, đƣợc
rửa nhiều lần bằng nƣớc để loại bỏ CaCl2 và các muối khác tan trong nƣớc.
Sản phẩm chitin đƣợc sấy khô ở 60oC trong tủ sấy chân không đến khối lƣợng
khơng đổi.
 Bƣớc 4: Deaxetyl hóa
Q trình deaxetyl hóa đƣợc thực hiện theo 2 quy trình sau:
 Quy trình 1: Theo phƣơng pháp thủy nhiệt
Chitin thu đƣợc ở trên (1,5 g) đƣợc đun hồi lƣu trong 100 ml dung dịch
NaOH nồng độ 45% ở 100ºC trong thời gian 8 giờ để chuyển hóa nhóm NHCOCH3 trong chitin thành nhóm -NH2 trong chitosan. Sau đó, mẫu đƣợc
rửa sạch bằng nƣớc cất đến trung tính và sấy khơ trong tủ sấy chân không ở
60ºC đến khối lƣợng không đổi, thu đƣợc chitosan.
 Quy trình 2: Theo phƣơng pháp đun nóng bằng lị vi sóng
Hỗn hợp chitin (1,5 g) và 100ml dung dịch NaOH có nồng độ lần lƣợt
là 40% đƣợc cho vào trong bình nón, đậy nắp kín với bơng, và sau đó đƣợc
đƣa vào lị vi sóng, chiếu xạ trong thời gian 15 phút. Sau đó, hỗn hợp đƣợc
làm mát bằng nƣớc lạnh, lọc rồi rửa sạch đến môi trƣờng trung tính và sấy
khơ trong tủ sấy chân khơng đến khối lƣợng không đổi.
Hiệu suất điều chế chitosan đƣợc tính theo cơng thức:
H=

m2
m1

. 100%

Trong đó, m1 là khối lƣợng của chitin phản ứng (g), còn m2 là khối
lƣợng của chitosan thu đƣợc (g).
 Bƣớc 5: Khử màu