Đồ án tốt nghiệp: Điều chế vật liệu Cacbon Nano từ vỏ cua ghẹ trên cơ sở khung Silica

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:56

Thêm vào BST

Báo xấu

26
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nội dung chính của đề tài là điều chế tinh thể lỏng chitin từ vỏ ghẹ. Xây dựng quy trình điều chế nano cacbon từ vỏ ghẹ dựa vào khung silica. Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM): Xác định hình dạng, kích thước hạt. Để hiểu rõ hơn mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết của đồ án này.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đồ án tốt nghiệp: Điều chế vật liệu Cacbon Nano từ vỏ cua ghẹ trên cơ sở khung Silica

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA-VŨNG TÀU BARIA VUNGTAU UNIVERSITY C a p Sa in t (ACTUES ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỀU CHẾ VẬT LIỆU CACBON NANO TỪ VỎ CUA GHẸ TRÊN CƠ SỞ KHUNG SILICA Trình độ đào tạo : Đại học Ngành : Công nghệ kỹ thuật hóa học Chuyên ngành : Hóa dầu Giảng viên hướng dẫn : Th.S Lê Thị Anh Phương Sinh viên thực hiện : Nguyễn Tuấn Anh MSSV: 13030095 Lớp: DH13HD Bà Rịa-Vũng Tàu, năm 2017
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA-VŨNG TÀU CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA HÓA HỌC & CNTP ĐỘC LẬP - T ự DO - HẠNH PHÚC PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN/ KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP (Đính kèm Quy định về việc tổ chức, quản lý các hình thức tốt nghiệp ĐH, CĐ ban hành kèm theo Quyết định số 585/QĐ-ĐHBRVT ngày 16/7/2013 của Hiệu trưởng Trường Đại học BR-VT) Họ và tên sinh viên: NGUYÊN TUẤN ANH Ngày sinh: 15/4/1994 MSSV : 13030095 Lớp: DH13HD Địa chỉ : 171/53 Nguyễn An Ninh - TP: Vũng Tàu E-mail : nguyentuananh1541994@gmail.com Trình độ đào tạo : Đại học Hệ đào tạo : Chính quy Ngành : Công nghệ kỹ thuật hóa học Chuyên ngành : Hóa dầu 1. Tên đề tài: Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano cacbon từ vỏ ghẹ trên cơ sở khung silica 2. Giảng viên hướng dẫn: ThS. Lê Thị Anh Phương 3. Ngày giao đề tài : 11/2/2017 4. Ngày hoàn thành đồ án/ khoá luận tốt nghiệp: 05/07/2017 Bà Rịa-Vũng Tàu, ngày 11 tháng 2 năm 2017 GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN SINH VIÊN THỰC HIỆN (Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên) TRƯỞNG NGÀNH TRƯỞNG VIỆN (Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên)
Trong quá trình thực hiện đồ án, tôi xin cam đoan những số liệu thu được từ quá trình thực nghiệm là hoàn toàn chính xác và không sao chép từ bất kì đồ án, công trình nghiên cứu nào. Các phần trích dẫn nội dung từ các tài liệu tham khảo đã được ghi rõ trong phần Tài liệu tham khảo cuối đồ án. Tôi xin cam đoan những điều trên là sự thật và chịu hoàn toàn trách nhiệm về lời cam đoan này. Sinh viên Nguyễn Tuấn Anh
Lời đầu tiên em xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại Học Bà Rịa - Vũng Tàu và các thầy cô trong Viện Kỹ Thuật - Kinh Tế biển, đã tạo điều kiện tốt cho em thực hiện tốt đồ án tốt nghiệp này tại phòng thí nghiệm trường Đại học Bà Rị a - Vũng Tàu. Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới giáo viên hướng dẫn: ThS. Lê Thị Anh Phương người đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn và tạo điều kiện cho em hoàn thành đồ án. Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè đã giúp đỡ động viên và tạo điều kiện thuận lợi cho em trong quá trình thực hiện đồ án. Tuy nhiên vì kiến thứ c thự c tế còn hạn hẹp do đó trong quá trình thự c hiện bài đồ án tốt nghiệp khó có thể tránh được thiếu sót. Em rất mong được sự đóng góp của các thầy cô và bạn bè để đồ án hoàn thiện tốt hơn. Em xin chân thành cảm ơn! Vũng Tàu, tháng 07 năm 2017 Sinh viên
MỤC LỤC DANH MỤC B Ả N G ............................................................................................................. iii DANH MỤC H ÌN H ...............................................................................................................iv DANH MỤC VIẾT TẮT.......................................................................................................vi LỜI MỞ Đ Ầ U .......................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1. TỔNG Q U A N ..................................................................................................5 1.1. Tổng quan về chitin..................................................................................................... 5 1.1.1. Cấu trúc hóa học của chitin................................................................................. 5 1.1.2. Tính chất hóa lý của chitin .................................................................................. 7 1.2. Tổng quan về vật liệu cacbon [19].......................................................................... 10 1.2.1. M ột số tính chất của vật liệu nano.................................................................... 11 1.2.2. M ột số dạng nano được nghiên cứu hiện nay..................................................12 1.3. Tổng quan về phương pháp thủy n h iệ t...................................................................13 1.4. Ứng dụng của công nghệ nano [5]........................................................................... 14 CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU................................................................17 2.1. Nguyên liệu, hóa chất và dụng cụ thiết b ị...............................................................17 2.1.1. Nguyên liệ u ...........................................................................................................17 2.1.2. Hóa chất................................................................................................................ 17 2.1.3. Dụng cụ, thiết b ị .................................................................................................. 17 2.2. Điều chế tinh thể lỏng chitin (ChLC) [19]..............................................................18 2.2.1. Sơ chế nguyên liệ u ............................................................................................... 19 2.2.2. Giải thích quy trình điều c h ế .............................................................................19 2.3. Điều chế vật liệu nano cacbon................................................................................. 24 2.3.1. Nguyên liệ u .......................................................................................................... 24 2.3.2. Quy trình điều chế nano cacbon [19]...............................................................25 2.3.3. Giải thích quy trình............................................................................................. 25 2.4. Các phương pháp phân tích đặc trưng của vật liệu cacbon.................................. 27 2.4.1. Phổ hồng ngoại (IR )........................................................................................... 27 2.4.2. Nhiễu xạ tia X (XRD).......................................................................................... 28 2.4.3. Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)............................................................ 29 i
2.5. Các yếu tố cần khảo sát........................................................................................... 31 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO L U Ậ N .................................................................... 32 3.1. Kết quả quá trình điều chế tinh thể lỏng chitin (C hL C ).......................................32 3.1.1. Đo phổ hồng ngoại IR ......................................................................................... 33 3.1.2. Ảnh chụp X R D .................................................................................................... 34 3.2. Kết quả quá trình điều chế nano cacbon................................................................. 36 3.2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình thủy n h iệt.......................................... 36 3.2.2. Ảnh hưởng của thời gian đến quá trình thủy nhiệt......................................... 38 KẾT L U Ậ N ............................................................................................................................42 KIẾN NG H Ị............................................................................................................................43 TÀI LIỆU THAM K H Ả O ....................................................................................................44
Bảng 1.1. So sánh kích thước của một số vật liệu ............................................................ 10 Bảng 3.1. Các điều kiện tiến hành sản xuất tinh thể lỏng chitin.....................................32
Hình 1.1. Sắp xếp các mạch trong phân tử chitin............................................................... 5 Hình 1.2. Công thức hóa học của chitin............................................................................... 6 Hình 1.3. Phức của chitin với kim loại................................................................................10 Hình 1.4. Cacbon fulleren C (60)........................................................................................ 12 Hình 1.5. Các loại ống nano cacbon................................................................................... 12 Hình 1.6. Các hạt nano cacbon mao quản......................................................................... 13 Hình 1.7. M ức độ phân tán đồng đều của vật liệu khi được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt và các phương pháp khác.........................................................................14 Hình 1.8. M ô hình robot nano ứng dụng trongy h ọ c ...................................................... 15 Hình 1.9. Các hạt nano vàng tấn công bao bọc protein của virus để ngăn cản virus phát triển..................................................................................................................................15 Hình 2.1. Điều chế tinh thể lỏng c h itin ...............................................................................18 Hình 2.2. Vỏ g h ẹ .....................................................................................................................19 Hình 2.3. Vỏ ghẹ sau khi khửprotein................................................................................. 20 Hình 2.4. Vỏ ghẹ ngâm trong H C l.......................................................................................21 Hình 2.5. Vỏ ghẹ trong quá trình khửprotein 2 ................................................................ 22 Hình 2.6. Vỏ ghẹ sau khi khử màu, sấy k h ô .......................................................................22 Hình 2.7. Quá trình deacetyl h ó a ........................................................................................ 23 Hình 2.8. Mẫu chitin lỏng đã thủy phân............................................................................. 24 Hình 2.9. Tinh thể lỏng chitin.............................................................................................. 24 Hình 2.10. Quy trình điều chế nano cacbon.......................................................................25 Hình 2.11. Hỗn hợp khuấy 2 p h a ......................................................................................... 26 Hình 2.12. Hỗn hợp sau quá trình lắng 5 g iờ ................................................................... 26 Hình 2.13. M áy đo quang phổ IR [30]................................................................................ 27 Hình 2.14. Ảnh chụp mẫu chuẩn ỈR của tinh thể lỏng chitin...........................................27 Hình 2.15. M áy đo XRD [31]................................................................................................28 Hình 2.16. Ảnh chụp XRD mẫu tinh thể lỏng chitin chuẩn..............................................29 Hình 2.17. Ảnh chụp XRD chuẩn mẫu nano cacbon.........................................................29
Hình 2.18. M áy đo TE M ....................................................................................................... 30 Hình 2.19. Ảnh chụp TEM của mẫu nano cacbon chuẩn................................................. 31 Hình 3.1. Tinh thể lỏng chitin...............................................................................................33 Hình 3.2. Ảnh chụp IR mẫu tinh thể lỏng chitin................................................................ 33 Hình 3.3. Kết quả tính độ deacetyl......................................................................................34 Hình 3.4. Ảnh chụp XRD mẫu tinh thể lỏng chitin............................................................ 35 Hình 3. 5. Ảnh chụp XRD mẫu chuẩn tinh thể lỏng chitin............................................... 35 Hình 3.6. Mẫu cacbon trước (a) và sau khi khử silica (b )............................................... 36 Hình 3.7. Hình chụp IR mẫu nano cacbon ở 24 giờ..........................................................36 Hình 3.8. Mẫu chụp XRD mẫu nano cacbon khảo sát các nhiệt độ ở 24 giờ.................37 Hình 3.9. Ảnh chụp TEM khảo sát nhiệt độ ở 24 g iờ ........................................................38 Hình 3.10. Ảnh chụp IR khảo sát thời gian ở 180o ở 24 g iờ ............................................39 Hình 3.11. Ảnh chụp XRD khảo sát ở 1800 ở các thời g ian.............................................39 Hình 3. 12. Ảnh chụp TEM khảo sát thời gian ở 1800 ..................................................... 40
ChLC: Chitin lỏng CNTs: Ống nano cacbon DDA: Độ deacetyl IR: Fourrier Transformation InfraRed (Phổ hồng ngoại) TEM: Transmission Electron Microscopy (Kính hiển vi điện tử truyền qua) TMOS:Tetramethyl ortho silicate (SiC4H 12O4) TEOS:Tetraetylorthosilicate (SiC8H20O4) XRD: X Ray Diffraction (Nhiễu xạ tia x) SPM: Scanning probe microscop (Kính hiển vi đầu dò) STM: Scanning tunneling microscope (Kính hiển vi quét xuyên hầm) W/V: Phần trăm khối lượng - thể tích, (% w/v) biểu thị khối lượng chất trong một hỗn hợp theo phần trăm thể tích của toàn bộ hỗn hợp
LỜI MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Công nghệ nano là thuật ngữ được nhắc đến những năm 1959, khi nhà vật lý người Mỹ Richard Feynman đề cập tới khả năng chế tạo vật chất ở kích thước siêu nhỏ đi từ quá trình tập hợp các nguyên tử, phân tử. Những năm 1980, nhờ sự ra đời của hàng loạt các thiết bị phân tích, trong đó có kính hiển vi đầu dò quét (SPM hay STM) có khả năng quan sát đến kích thước vài nguyên tử hay phân tử, con người có thể quan sát và hiểu rõ hơn về lĩnh vực nano. Lúc này công nghệ nano bắt đầu được đầu tư, nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ. Ra đời mới hơn hai mươi năm, là một ngành công nghệ non trẻ nhưng công nghệ nano đang phát triển với tốc độ chóng mặt. Vật liệu nano cacbon dạng mao quản (mesoporous) là một loại vật liệu có kích thước từ dưới 2nm cho đến trên 50nm, có tính chất hóa lí ưu việt vượt trội như độ dẫn điện, dẫn nhiệt tốt, khối lượng riêng nhỏ, diện tích bề mặt lớn, trơ về mặt hóa học, độ bền thủy nhiệt cao. Do đó loại vật liệu này đang được nhiều nhà khoa học chú ý đến. Chitin là một polime thiên nhiên có cấu tạo mạnh thẳng gồm các đơn vị N - axetyl - glucosamin nối với nhau bằng liên kết ß (1,4) - glucosit, được tổng hợp lên từ vỏ cua, ghẹ. Hiện nay nó đang được điều chế rộng rãi và được ứng dụng nhiều trong y học, dược phẩm, công nghiệp thực phẩm, xử lí nước,... Nó cũng chính là nguồn nguyên liệu để tổng hợp tinh thể lỏng chitin. Tinh thể lỏng chitin là tiền chất để tổng hợp vật liệu cacbon có thể bằng cách kết hợp với một số chất hoạt động cũng như các chất định khung như: TMOS, TEOS, Natrisilicat,... thông qua thủy nhiệt hoặc nhiệt phân để tạo hạt và hình thành nên dạng nano cacbon. Công nghiệp chế biến thủy sản đang ngày càng phát triển trên quy mô toàn cầu. Rất nhiều nước ở Đông Nam Á và Nam Mĩ đang đẩy mạnh ngành công nghiệp này chủ yếu cho xuất khẩu như Ân Độ, Indonexia, Thái Lan, Việt N am .. .quá trình này bao gồm cả nuôi trồng và đánh bắt ở biển, với một sản lượng đông lạnh rất lớn. Như vậy tất yếu một lượng phế thải không nhỏ bị vứt bỏ, để thối rữa và do đó gây ô nhiễm môi trường. Theo ước tính lượng phế phẩm tôm, cua. ..hàng năm là 1,44 triệu tấn (trọng
lượng khô). Tuy nhiên, về khía cạnh khoa học vật liệu, chính lượng phế phẩm vỏ tôm, cua, m ực,... này lại là là nguồn nguyên liệu to lớn để tổng hợp được chitin-chitosan từ đó làm nguyên liệu để tổng hợp nên vật liệu nano cacbon ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiêp, y học, điện tử,.... Vì vậy để tận dụng nguồn phế phẩm thủy hải sản phong phú này chúng tôi tiến hành nghiên cứu chế tạo vật liệu nano cacbon dạng mao quản (kích cỡ meso) từ vỏ ghẹ. 2. Tình hình nghiên cứu Trên thế giới, người ta đã thử chiết tách chitin từ thực vật biển nhưng nguồn nguyên liệu không đủ để đáp ứng nhu cầu. Trữ lượng chitin phần lớn có nguồn gốc từ vỏ tôm, cua. Trong một thời gian, các chất phế thải này không được thu hồi mà lại thải ra ngoài gây ô nhiễm môi trường. Năm 1977, Viện kỹ thuật Masachusetts (Mỹ) khi tiến hành xác định giá trị của chitin và protein trong vỏ tôm, cua đã cho thấy việc thu hồi các chất này có lợi nếu sử dụng trong công nghiệp. Phần protein thu được sẽ dùng để chế biến thức ăn gia súc, còn phần chitin sẽ được dùng như một chất khởi đầu để điều chế các dẫn xuất có nhiều ứng dụng trong lĩnh vực công nghiệp, nông nghiệp, y tế,.... Còn tại Việt Nam việc nghiên cứu, sản xuất chitin - chitosan và các ứng dụng của chúng trong sản xuất phục vụ đời sống là một hướng nghiên cứu tương đối mới mẻ ở nước ta. Vào những năm 1978 đến 1980 Trường đại học Thủy sản Nha Trang đã công bố quy trình sản xuất chitin - chitosan của kỹ sư Đỗ Minh Phụng, nhưng chưa có ứng dụng cụ thể trong sản xuất. Gần đây, trước yêu cầu xử lý phế liệu thủy sản đông lạnh đang ngày càng cấp bách, trước những thông tin kỹ thuật mới về chitin - chitosan cũng như tiềm năng thị trường của chúng đã thúc đẩy các nhà khoa học bắt tay vào việc nghiên cứu hoàn thiện quy trình sản xuất chitin - chitosan ở bước cao hơn, đồng thời nghiên cứu các ứng dụng của chúng trong các lĩnh vực sản xuất công nghiệp. Gần đây, khi chitin trở thành nhu cầu trong nhiều ngành công nghiệp và có giá trị thì rất nhiều cơ quan nghiên cứu như: Trường Đại Học Nông Lâm TP.HCM, Đại Học Tổng Hợp TP.HCM, Đại Học Thủy Sản, Đại Học Cần T h ơ ,. đã tập trung vào nghiên cứu, sản xuất và ứng dụng công nghệ này. Tuy nhiên, chất lượng sản xuất và những ứng dụng của nó chưa được đánh giá đầy đủ.
Ở phía Bắc, Viện Khoa Học Việt Nam đã kết hợp với Xí Nghiệp Thủy Đặc Sản Hà Nội sản xuất chitin và ứng dụng trong lĩnh vực nông nghiệp và có hiệu quả bước đầu. Ở phía Nam, Trung Tâm Công Nghệ và Sinh Học Thủy Sản phối hợp với một số cơ quan khác như: Đại Học Y Dược TP. HCM, Phân Viện Khoa Học Việt Nam, Viện Khoa Học Nông Nghiệp Miền Nam đã và đang nghiêu cứu, sản xuất và ứng dụng chitin trong các lĩnh vực: nông nghiệp, y dược và mỹ phẩm ... Một số những thành tựu trên thế giới về nano cacbon mặc dù đây là một loại vật liệu mới nhưng đã được nhiều sự quan tâm ở khắp nơi: Năm 2009, Spinning tại Úc đưa ra ứng dụng ống nano cacbon spawn không dây mới, nhẹ hơn, rẻ hơn, an toàn hơn, một nhóm các nhà nghiên cứu tại Đại học Cincinnati, nổi tiếng với các ống nano cacbon phá kỷ lục thế giới của họ, đã phát hiện ra các ứng dụng mới sử dụng đến cả quân đội và đối tượng tiêu dùng. Năm 2005, Những điều tốt đẹp đến trong các dự án Nano của trường đại học Cincinnati Để đạt được công nhận công nghệ nano, UC đã được tạp chí Small Times xếp hạng 2 ở Hoa Kỳ về giáo dục về công nghệ nano. Vào tháng 7, Nanoinineering Structural, Functional and Smart Materials đã được xuất bản bởi CRC Press. Cuốn sách được đồng tác biên tập bởi Mark Schulz, có 24 chương, trong đó có bốn đồng tác giả của khoa UC. Năm 2006 Đại học Cincinnati Các nhà nghiên cứu phát triển các ống nano cacbon dài nhất của họ. Một cuộc chạy đua nano đã phát triển thành công mảng nano nano thích hợp cho nhiều mục đích sử dụng. Và hôm nay một nhóm nghiên cứu của UC, kết hợp với First Nano, đang đi trước - nghiên cứu cấu trúc nano bằng một phần ngàn sợi tóc. 3. Mục đích nghiên cứu: Điều chế vật liệu cacbon dạng mao quản với kích cỡ meso (từ 2 đến 50nm) từ vỏ ghẹ trên cơ sở khung silica. 4. Nhiệm vụ nghiên cứu: - Điều chế tinh thể lỏng chitin từ vỏ ghẹ. - Xây dựng quy trình điều chế nano cacbon từ vỏ ghẹ dựa vào khung silica. 5. Phương pháp nghiên cứu: - Nghiên cứu lý thuyết
> Tìm kiếm, tổng hợp, phân tích các tài liệu trên mạng, trên báo, sách trong và ngoài nước có liên quan đến đề tài. > Xử lý thông tin, đặt vấn đề, đưa ra các điều cần làm trong quá trình thực nghiệm. - Nghiên cứu thực nghiệm > Điều chế tinh thể lỏng chitin (ChLC) từ vỏ ghẹ. > Điều chế vật liệu nano cacbon từ ChLC bằng phương pháp thủy nhiệt. > Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD): xác định cấu trúc vật liệu. > Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM): Xác định hình dạng, kích thước hạt. > Phương pháp phân tích phổ hồng ngoại (IR): xác định liên kết (dao động) đặc trưng của vật liệu. 6. Dự kiến kết quả nghiên cứu: Thu được vật liệu nano cacbon dạng mao quản (mesoporous nanocacbon) 7. Cấu trúc của ĐA/KLTN: Gồm 3 Chương Chương 1: Tổng quan Chương 2: Phương pháp nghiên cứu Chương 3: Kết quả và thảo luận
CHƯƠNG 1. TỐNG QUAN 1.1. Tổng quan về chitin 1.1.1. Cấu trúc hóa học của chitin Chitin kết tinh ở dạng vô định hình, khó hòa tan trong dung dịch amoniac (NH3), không hòa tan trong thuốc thử Schueizer - Sacrpamonia. Điều này có thể là do sự thay đổi nhóm hydroxy (- OH) tại vị trí C2 bằng nhóm acetamic (NHCOCH3) đã ngăn cản sự tạo thành các phức hợp cần thiết. Chitin có cấu trúc tinh thể rất chặt chẽ và đều đặn. Bằng phương pháp nhiễu xạ tia X, người ta đã chứng minh được chitin tồn tại ở 3 dạng cấu hình: a, ß, Y - chitin. Các dạng này của chitin chỉ do sự sắp xếp khác nhau về hướng của mỗi mắt xích (N - acetyl - D - glucosmin) trong mạch. Có thể biểu diễn mỗi mắt xích này bằng mũi tên sao cho phần đầu của mũi tên chỉ nhóm (- CH2OH), phần đuôi chỉ nhóm (- NHCOCH3), thì các cầu trúc a, ß, Y - chitin được mô tả như sau: Hình 1.1. Sắp xếp các mạch trong phân tử chitin a - chitin có cấu trúc các mạch được sắp xếp ngược chiều nhau đều đặn, nên ngoài liên kết hydro trong một lớp và hệ chuỗi, nó còn có liên kết hydro giữa các lớp do các chuỗi thuộc lóp kề nhau nên rất bền vững. Do các mắt xích sắp xếp đảo chiều, xen kẽ thuận lợi về mặt không gian và năng lượng. Đây cũng là dạng phổ biến trong tự nhiên. P, Y - chitin do mắt xích ghép vói nhau theo kiểu song song (P - chitin) và hai song song một ngược chiều (y - chitin), giữa các lóp không có loại liên kết hydro. Dạng (P - chitin) cũng có thể chuyển sang dạng (a - chitin) nhờ quá trình axetyl hóa cho cấu trúc tinh thể bền vững hơn. SVTH: Nguyễn Tuấn Anh
Qua nhiều nghiên cứu về sự thủy phân chitin bằng enzyme hay acid HCl đậm đặc thì người ta thấy rằng chitin có cấu trúc là một polymer được tạo thành từ các đơn vị (N - acetyl - p - D - glucosamine) liên kết với nhau bởi liên kết (P - 1,4 - glucozit). Tên gọi: Poly(1,4) - 2 - acetamido - 2 - deoxy - p - D - glucose; poly(1,4) 2 - acetamido - 2 - deoxy - p - D - glucopyranose. Công thức phân tử: [C8H 13O5N]n. Phân tử lượng: Mchitin = (203,09)n. Trong đó n phụ thuộc vào nguồn gốc nguyên liệu: + Đối với tôm hùm: n = 700 ^ 800 + Đối với cua: n = 500 ^ 600 + Đối với ghẹ: n = 400 ^ 500 > Nguyên liệu để sản xu ấ t chitin (Vỏ ghẹ) Vỏ ghẹ được chia làm 4 lớp chính: - Lớp biểu bì (epicucle) - Lớp màu - Lớp canxi hóa - Lớp không bị canxi hóa Lớp biểu bì, lớp màu, lớp canxi hóa cứng do sự lắng đọng của canxi. Lớp màu, lớp canxi hóa, lớp không bị canxi hóa chứa nhiều chitin nhưng lớp biểu bì thì không. Ta gọi các lớp có chứa chitin là endocuicle. Lớp biểu bì (epcuticle): Những nghiên cứu cho thấy lớp màng nhanh chóng bị biến đỏ bởi Fucxin, có điểm pH = 5,1 không chứa chitin. Nó khác với các vỏ còn lại, bắt màu với anilin xanh. Lớp epicuticle có lipit vì thế nó cản trở tác động của acid ở nhiệt độ thường trong công đoạn khử khoáng bằng acid hơn là các lớp bên trong. Màu của lớp
này thường vàng rất nhạt có chứa polyphenoloxidase và bị hóa cứng bởi puinone - tannin. Lớp epicuticle liên kết với một số màng mỏng bên ngoài cản trở hòa tan ngay cả trong môi trường acid đậm đặc do nó có chứa các mắt xích paratin mạch thẳng. Lớp màu: Tính chất của lớp này do sự có mặt của những thể hình hạt của vật chất mang màu giống dạng melanin. Chúng gồm những túi khứ hoặc những không bào. Một vài vùng xuất hiện những hệ thống rãnh thẳng đứng có phân nhánh, là con đường cho canxi thẩm thấu vào. Lớp canxi hóa: lớp này chiếm phần lớn vỏ, thường có màu xanh trải đều khắp, chitin ở trạng thái tạo phức với canxi. Lớp không bị canxi hóa: Vùng trong cùng của lớp vỏ được tạo thành bởi một phần tương đối nhỏ so với tổng chiều dày bao gồm các phức chitin - protein bền vững không có canxi và quinine. Do đó, trong quá trình điều chế tinh thể lỏng chitin thì việc loại bỏ khoáng, protein và màu của vỏ cua là điều cần thiết để thu được sản phẩm tinh khiết như mong muốn. 1.1.2. Tính chất hóa lý của chitin Chitin có màu trắng hay màu trắng phớt hồng, dạng vảy hoặc dạng bột, không mùi, không vị, không tan trong nước, trong môi trường kiềm, acid loãng và các dung môi hữu cơ như ete, rượu... nhưng tan trong dung dịch đặc nóng của muối thioxianat canxi (Ca(SCN)2) tạo thành dung dịch keo, tan được trong hệ dimetylacetamid - LiCl 8% [20], tan trong hexafluoro - isopropyl alcohol (CF3CHOHCF3) và hexafuoracetone sesquihydrate (CF3COCF3.H2O) [10]. Chitin có khả năng hấp thu tia hồng ngoại có bước sóng 884 - 890 cm-1. Chitin tồn tại với các chất oxy hóa mạnh như thuốc tím (KMnO 4 ), oxy già (H2O2), nước javel (NaOCl - N a C l) ,.. Lợi dụng tính chất này mà người ta sử dụng các chất oxy hóa trên để khử màu cho chitin. * Khi đun nóng trong dung dịch NaOH đậm đặc (40 - 50%), ở nhiệt độ cao thì chitin sẽ bị mất gốc acetyl tạo thành chitosan:
-c h 2o h -c h 2o h N a O H 4 0- 5 0 % C hitin -o h —— —--- > Chitosan -o h T cao (1.1) -n h c o c h , -n h 2 > Lợi dụng tính chất này người ta điều chế ra chitosan - chất có nhiều ứng dụng như: ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm (màng bao gói, bảo quản thực phẩm )... * Khi đun nóng trong acid HCl đậm đặc, ở nhiệt độ cao thì chitin sẽ bị cắt mạch thu được glucosamine: -c h 2o h -c h 2o h HCl 3 6% C hitin -o h —— — ^ Glucosamm -o h T ca o (1.2) -n h c o c h 3 -n h 2 > Lợi dụng tính chất này người ta điều chế ra Glucosamine là một loại thuốc có tác dụng chống thoái hóa khớp,..... > Trong nông nghiệp chitin được sử dụng để tăng cường hoạt động của các vi sinh vật có lợi trong đất, bọc các hạt giống để kháng lại nấm bệnh trong đất đồng thời cố định phân bón nhằm tăng khả năng nảy mầm của hạt, kích thích tăng trưởng và tăng năng suất [22, 23]. > Trong thủy sản chitin đã có nhiều nghiên cứu và ứng dụng trong nuôi trồng thủy sản. Chitin - chitosan được bổ sung vào thức ăn cho tôm, cá để kích thích sinh trưởng, tăng miễn dịch và cải thiện môi trường ao nuôi. > Trong y học và công nghệ sinh học Chitin và dẫn xuất của nó được ứng dụng rộng rãi trong y học và công nghệ sinh học nhờ các tính chất quan trọng như: tương thích sinh học cao, tự phân hủy sinh học, khả năng tạo màng, không độc, có khả năng làm lành vết thương, kháng khuẩn, kháng nấm ,.. .[2]. > Ngoài ra nó còn được ứng dụng trong lĩnh vực xử lí môi trường. * Phản ứng este hóa: > Chitin tác dụng với HNO3 đậm đặc cho sản phẩm chitin nitrat. > Chitin tác dụng với anhydrit sunfuric trong pyridin, dioxan và N,N- dimetylanilin cho sản phẩm chitin sunfonat.
* Phản ứng thủy phân hoàn toàn xảy ra khi đun nóng chitin trong acid HCl đậm đặc sẽ thu được glucosamin. Quá trình thủy phân xảy ra đầu tiên ở cầu nối glucoside, sau đó loại nhóm acetyl (- CO - CH3). (C 32H 54N 4 O2 OX + 2(H2O)x ^ (C28H50N4Oi9)x + 2(CH3COOH)x (1.3) * Khi đun nóng chitin trong dung dịch NaOH đậm đặc thì chitin sẽ bị mất gốc acetyl tạo thành chitosan. Chitin + n NaOHđđ ^ chitosan + n CH3COONa (1.4) Từ thế kỷ trước chitin đã được nghiên cứu trong việc hấp thụ, tạo phức với kim loại nặng. Chitin có thể tạo phức với nhiều kim loại như đồng, chì, crom ,... 1.1.1.4.Giới thiệt về tinh thể lỏng chitin (ChLC) Quá trình điều chế chitin thành tinh thể lỏng chitin thực chất là quá trình deaetyl chitin, chuyển hóa nhóm (- NHCOCH ) thành nhóm (NH ) và loại bỏ nhóm (- CH3CO) một cách không hoàn toàn, tinh thể lỏng chitin là tiền chất để điều chế vật liệu nano cacbon. - Sau khi quá trình deacetyl sẽ đến quá trình thủy phân nhằm cắt mạch chitin thành từng đoạn nhỏ, phá vỡ các liên kết để tạo thành tinh thể lỏng chitin để dễ dàng liên kết với các thành phần như parafin, cyclohexan, tween 80,... Trong quá trình tạo 2 pha. Xác định độ deacetyl hóa bằng quang phổ hồng ngoại (IR). Phương pháp IR dựa trên sự hấp thụ năng lượng bức xạ trong vùng hồng ngoại của phân tử do sự thay đổi trạng thái năng lượng chuyển động quay và chuyển động dao động từ trạng thái năng lượng cơ bản đến trạng thái năng lượng kích thích. Vì thế, tần số hấp thụ hồng ngoại là những thông tin hữu ích cho việc nghiên cứu chi tiết cấu trúc phân tử. Công thức xác định độ deacetyl [9]: - 0.3822 DD ( % ) = 100 - 0.03 133 (1 1) Trong đó: A 1320và A 1420 là mật độ quang tương ứng tại các đỉnh hấp thụ 1320 cm-1 và 1420 cm-1 [1, 16]. 1.1.15. Khả năng hấp phụ tạo phức với các ion kim loại chuyển tiếp của chitin/ chitosan
Trong phân tử chitin/chitosan và một số dẫn xuất của chitin có chứa các nhóm chức mà trong đó các nguyên tử Oxi và Nitơ của nhóm chức còn cặp electron chưa sử dụng, do đó chúng có khả năng tạo phức, phối trí với hầu hết các kim loại nặng và các kim loại chuyển tiếp như: Hg2+, Cd2+, Zn2+, Cu2+, Ni2+, Co2+,... Tuỳ nhóm chức trên mạch polyme mà thành phần và cấu trúc của phức khác nhau. Ví dụ: Với phức Ni(II) với chitin có cấu trúc bát diện với số phối trí bằng 6. trong đó ■ ’ là mạng polime Ứng dụng mục đích hấp phụ ion kim loại nặng trong nước, sử dụng khả năng hấp phụ tốt các ion kim loại (nhờ khả năng tạp phức của các nhóm amino (-NH2)). Vai trò của Fe3O4 là tạo từ tính cho vật liệu đảm bảo vật liệu sau hấp phụ được tách loại dễ dàng bằng từ trường, đồng thời mở ra khả năng giải hấp phụ (cũng bằng từ trường) và tái sử dụng vật liệu. 1.2. Tổng quan về vật liệu cacbon [19] Vật liệu cacbon dạng mao quản (mesoporous) là một loại vật liệu có kích thước từ dưới 2nm cho đến trên 50nm, có tính chất hóa lí ưu việt vượt trội như độ dẫn điện, dẫn nhiệt tốt, khối lượng riêng nhỏ, diện tích bề mặt lớn, trơ về mặt hóa học, độ bền thủy nhiệt cao, chịu môi trường acid-bazơ, đặc biệt là hấp thụ được các phân tử có kích thước lớn cồng kềnh nên chúng thu hút được sự quan tâm của nhiều nhà khoa học chúng được tạo ra bằng rất nhiều cách khác nhau và được ứng dụng trong hầu hết các ngành công nghiệp... Bảng 1.1. So sánh kích thước của một số vật liệu