TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HÓA HỌC
**********

NGUYỄN THỊ HUẾ

NGHIÊN CỨU PHẢN ỨNG ĐIỀU CHẾ CHITOSAN
KHỐI LƢỢNG PHÂN TỬ THẤP BẰNG AXIT HCL
VÀ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP PHỤ
ION KIM LOẠI NẶNG

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: Hóa công nghệ - Môi trƣờng

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học
PGS. TS. ĐỖ TRƢỜNG THIỆN

Hà Nội - 2016


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên em xin cảm ơn thầy giáo ThS. Lê Cao Khải, cùng toàn
thể các thầy cô giáo trong khoa Hóa Học - Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội
2, đã tạo điều kiện cho em được tiếp thu những kiến thức chuyên môn về hóa
học hữu cơ và công nghệ môi trường.
Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Đỗ Trƣờng Thiện Viện Hóa Học - Viện Hàn lâm Khoa Học và Công Nghệ Việt Nam đã tận
tình hướng dẫn và truyền đạt cho em các phương pháp nghiên cứu khoa học
và những kinh nghiệm học thuật quý báu trong quá trình thực hiện khóa luận.
Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô, các anh
chị tại Viện Hóa Học - Viện Hàn lâm Khoa Học và Công Nghệ Việt Nam đã
tận tình giảng dạy, chỉ bảo và dìu dắt em trong suốt quá trình thực hiện khóa

Bảng 3.5: Mối quan hệ giữa độ tan và khối lượng phân tử trung bình của các
mẫu LWC ........................................................................................................ 39
Bảng 3.6: Độ chuyển dịch học hóa học của proton ( 1H) của chitosan .......... 42
Bảng 3.7: Độ chuyển dịch học hóa học của cacbon ( 13C) của chitosan ........ 42


DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ
Sơ đồ 1.1: Cấu tạo của xenlulozo, chitin, chitosan

...................................... 3

Sơ đồ 1.2: Sơ đồ điều chế chitosan................................................................... 9
Sơ đồ 1.3: Quá trình sản xuất chitin/chitosan truyền thống .......................... 10
Sơ đồ 1.4: Công thức cấu tạo của chitin/chitosan ......................................... 10
Sơ đồ 1.4: Phản ứng đeaxetyl hóa chitin ....................................................... 11
Sơ đồ 1.5: Thủy phân chitosan bằng axit HCl loãng ..................................... 15
Sơ đồ 1.6: Sơ đồ cơ chế phản ứng thủy phân axit liên kết glucozit của
chitosan ........................................................................................................... 16
Sơ đồ 1.7: Cơ chế thủy phân liên kết N-axetyl (phản ứng SN2)..................... 16
Sơ đồ 2.1: Quy trình điều chế chitosan khối lượng phân tử thấp .................. 30
Sơ đồ 3.1: Phản ứng đeaxetyl hóa chitin ........................................................ 34


BẢNG CÁC CHỮ VIẾT TẮT TRONG KHÓA LUẬN

Ac: CH3CO
CTS: Chitosan
DDA: Độ đề axetyl hóa
DA: Độ axetyl hóa
DMAc: N,N-đimetyl axetamit

3.3. Phản ứng ở nhóm -NH2 .......................................................................... 12
3.4. Phản ứng cắt mạch chitosan .................................................................. 12
3.4.1. Phương pháp chiếu xạ........................................................................... 13
3.4.2. Phương pháp thủy phân bằng enzym .................................................... 14
3.4.3. Phương pháp hóa học ........................................................................... 15
4. Sơ lƣợc về kim loại .................................................................................... 18
4.1. Giới thiệu về kim loại nặng và ảnh hưởng của chúng đến môi trường18
4.2. Ô nhiễm kim loại nặng và hậu quả của chúng. .................................... 19


4.2.1. Sơ lược về kim loại đồng ....................................................................... 21
4.2.2. Nguồn phát sinh ................................................................................... 21
4.2.3. Độc tính ................................................................................................. 22
5. Một số ứng dụng của chitin/chitosan và dẫn xuất ................................. 22
5.1. Ứng dụng trong xử lý nước thải ............................................................. 23
5.1.1. Hấp phụ ion kim loại nặng .................................................................... 23
5.1.2. Hấp phụ thuốc nhuộm hoạt tính [11,20,33] ......................................... 24
5.2. Ứng dụng trong y dược [13,28] .............................................................. 24
5.3. Ứng dụng trong nông nghiệp ................................................................. 25
5.3.1. Chất kích thích sinh trưởng [10,34] ..................................................... 25
5.3.2. Chất bảo quản nông sản [16,24,32,35] ................................................ 25
CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM ................................................................... 26
2.1. Nguyên liệu, hóa chất, dụng cụ và thiết bị nghiên cứu ....................... 26
2.1.1. Nguyên liệu, hóa chất .......................................................................... 26
2.1.2. Dụng cụ, thiết bị nghiên cứu ............................................................... 26
2.2. Thực nghiệm ........................................................................................... 27
2.2.1. Điều chế Chitin/chitosan ..................................................................... 27
2.2.1.1. Điều chế chitin ................................................................................... 27
2.2.1.2. Điều chế chitosan ............................................................................... 28
2.2.1.3. Xác định độ axetyl hóa /deaxetyl hóa ................................................ 29

sản phẩm phản ứng đề polyme hoá chitosan............................................... 38
3.2.3. Đánh giá độ tan trong nước của các mẫu chitosan trọng lượng phân
tử thấp ............................................................................................................. 39
3.3. Xác định cấu trúc của chitosan khối lƣợng phân tử thấp ................. 40
3.4. Nghiên cứu sơ bộ khả năng hấp phụ Cu2+ của sản phẩm phản ứng.43
KẾT LUẬN CHUNG .................................................................................... 44
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 45


MỞ ĐẦU
1. Lí do chọn đề tài
Tình trạng ô nhiễm kim loại nặng của nhiều nguồn nước là vấn đề đáng
quan tâm do ảnh hưởng của độc tố đến sự phát triển của con người và sự an
toàn của hệ sinh thái. Việc loại trừ các ion kim loại nặng ra khỏi các nguồn
nước, đặc biệt là nước thải công nghiệp là mục tiêu môi trường quan trọng
bậc nhất phải giải quyết hiện nay.
Một trong những hướng mới để loại bỏ kim loại trong những năm gần
đây là dùng hấp phụ sinh học. Nhiều nguyên liệu có nguồn gốc sinh học đã
được nghiên cứu như là những chất hấp phụ để loại bỏ một vài ion kim loại
nặng từ nước và nước thải công nghiệp. Đặc biệt, chitosan - dẫn xuất Ndeacetylation của chitin - một polysaccharide tự nhiên từ các loài giáp xác và
sinh khối nấm, đã được tìm thấy có khả năng hấp phụ hoá học và vật lý nhiều
loại ion kim loại, bao gồm chì, vanadi, platin, bạc, cadimi, crom...
Nước ta có bờ biển dài với sản lượng thủy hải sản lớn. Số lượng các
nhà máy thủy sản ngày càng nhiều thì lượng chất thải rắn (như mai mực,vỏ
tôm, cua, ghẹ, cá…) thải ra ngày càng lớn. Việc lựa chọn sử dụng mai mực để
điều chế chitosan làm tác nhân hấp phụ các ion kim loại nặng sẽ vừa giải
quyết được một phần lượng phế thải mai mực của các nhà máy thủy sản, vừa
sản xuất ra được tác nhân hấp phụ sinh học mới có khả năng hấp phụ các ion
kim loại nặng để xử lý nước.
Chính vì những lý do trên tôi tiến hành thực hiện khóa luận với tên đề

sinh học tự nhiên phong phú nhất. Xenlulozo được tổng hợp từ thực vật còn
chitin được tổng hợp chủ yếu từ động vật bậc thấp. Chitin có cấu trúc tương
tự như xenlulozo, tên gọi “chitin” xuất phát từ tiếng Hi Lạp “chiton” nghĩa là
vỏ của các loài giáp xác như cua, tôm, mai mực…..
Chitin được đánh giá là loại vật liệu có tiềm năng lớn nhưng cho đến
này việc ứng dụng chitin vẫn chưa được rộng rãi như xenlulozo. Chitin không
chỉ là nguồn tài nguyên sẵn có mà nó còn là một loại vật liệu chức năng do
chitin là một polyme sinh học với nhiều tính chất quý báu như khả năng phân
hủy sinh học và đặc biệt là có hoạt tính sinh học.
OH
OH

O

HO

O

O

OH

O

OH

OH

n


OH

O

NH2

OH

n

Chitosan
Sơ đồ 1.1: Cấu tạo của xenlulozo, Chitin, Chitosan
Trong thực tế chitin và chitosan cùng tồn tại trong một phân tử polyme
vì vậy khái niệm chitin, chitosan chỉ là tương đối. Khi polyme có tỷ lệ mắt
xích β(1→4)-D-glucosamin lớn hơn 50% (DDA > 50%) thì được gọi là
chitosan và ngược lại là chitin.
Nguyễn Thị Huế

3

Lớp K38A – SP Hóa học


1.1 . Cấu trúc tinh thể [1,2,4,31]
Chitin là một loại polisaccarit mạch thẳng với khối lượng phân tử lớn
được tạo bởi mắt xích N-axetyl-D-glucosamin theo liên kết β(1→4)glucozit
như kiểu liên kết các mắt xích D-glucozo ở xenlulozo. Bằng phương pháp
nhiễu xạ tia X đã phát hiện chitin có 3 kiểu đa hình là: α, β, γ-chitin được mô
tả theo hình sau:



1.3. Khối lượng phân tử [21]
Khối lượng phân tử chitin/chitosan là thông số quan trọng nhưng khó
có thể xác định được chính xác do tính tan kém của chúng và sự đa dạng về
kiểu phân bố các nhóm axetyl cũng như mức độ axetyl hóa. Độ dài mạch
chính của chitin/chitosan có thể giảm trong quá trình xử lý với axit và kiềm.
Khối lượng phân tử chitin sau khi tách khỏi protein cũng như các chất khác
được tính toán theo các phương pháp đo độ nhớt, sắc ký thẩm thấu gel (GPCGel Permeation Chromatography) hoặc sắc ký loại trừ theo độ lớn phân tử
(SEC -Size Exclusion Chromatography) trong dung môi DMAc/LiCl. Kết hợp
các phương pháp SEC, tán xạ ánh sáng và đo độ nhớt thì có thể xác định được
chính xác khối lượng phân tử trung bình và độ phân bố của khối lượng phân
tử. Từ các số liệu thu được từ phương pháp GPC đã khẳng định các mẫu
chitin tách từ mai cua, vỏ tôm và mai mực ống có độ polyme hóa (degree of
polymeizaion - DP) nằm trong khoảng 2000 ÷ 4000. Chitosan tan được trong
dung dịch axit loãng và khối lượng phân tử có thể xác định theo phương pháp
sắc ký lỏng cao áp ghép nối với cột loại trừ theo độ lớn phân tử (SE-HPLCsize exlusion high performance liquid chromatography). GPC-HPLC, GPC,
phương pháp đo độ nhớt, phương pháp áp suất thẩm thấu… Cũng có thể
chuyển chitosan thành chitin qua phản ứng N-axetyl hóa.
Phương pháp đo áp suất thẩm thấu là phương pháp dựa trên định luật
Vant-Hoff. Theo định luật này, sự phụ thuộc giữa áp suất thẩm thấu P, thể
tích V và nhiệt độ tuyệt đối T và số gam phân tử của vật chất trong dung dịch
pha loãng được biểu diễn bằng phương trình trùng với dạng phương trình của
dạng khí lí tưởng:
PV = nRT = (g/M)RT
→ P = (g/V)(RT)/M
→M = (RTC)/P

Nguyễn Thị Huế

5


OH
NH2

OH

O
NHCOCH3

DDA

DA

Trong đó, DDA = 100-DA. Đối với chitin thì DA > DDA, đối với
chitosan thì DA < DDA. Khi DA = DDA thì có chitin tan trong nước.
Tính chất của chitin cũng như chitosan phụ thuộc rất nhiều vào độ
đeaxetyl hóa (DDA) - một thông số quan trọng nhất để chỉ ra là chitin hay
chitosan. Vì vậy, việc tìm ra phương pháp xác định DDA (hay DA) một cách

Nguyễn Thị Huế

6

Lớp K38A – SP Hóa học


chính xác và đơn giản là vấn đề rất quan trọng và cần thiết. Có rất nhiều
phương pháp đã được áp dụng để xác định DDA của chitin/chitosan như:
phân tích nguyên tố, các phương pháp phổ như phổ hồng ngoại (IR), phổ tử
ngoại (UV), phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NRM): 1H-NRM,

hóa học và phương pháp lên men vi sinh vật.
Nguyễn Thị Huế

7

Lớp K38A – SP Hóa học


Theo phương pháp hóa học: Quá trình điều chế chitin được thực hiện
theo các bước : tách khoáng - tách protein - khử màu. Muối khoáng thường
được tách ra bằng cách xử lý nguyên liệu với dung dịch axit HCl, protein bị
thủy phân trong môi trường kiềm, chất màu được loại bỏ bằng dung môi hoặc
tác nhân oxi hóa. Trong quá trình xử lý, một số nhóm axetamit trong các mạch
đại phân tử chitin bị thay thế bởi nhóm amino do phản ứng deaxetyl hóa.
Điều chế chitin theo phương pháp hóa học có một số mặt hạn chế như
phải sử dụng một lượng lớn kiềm, axit, nước rửa do đó chi phí lớn và gây ô
nhiễm môi trường. Việc sử dụng axit và kiềm nóng dẫn đến việc cắt giảm
mạch chitin tạo ra nhiều sản phẩm khác nhau.
Theo phương pháp xử lý vi sinh vật: Protein được tách khỏi vỏ các loài
giáp xác bằng cách xử lý với enzim hay vi sinh vật theo nguyên tắc: vi khuẩn
sinh ra lactic (LAB: lactic acid bacterial) tự có trong phủ tạng của vỏ phế thải
(vỏ tôm, cua, mai mực…) với một lượng rất nhỏ cùng với nguồn LAB thuần
chủng được bổ sung có tác dụng bảo quản và thủy phân phế thải. Hỗn hợp lên
men bao gồm: vỏ phế thải, LAB, dung dịch glucozo. Trong quá trình lên men,
LAB sản sinh ra axit lactic làm giảm pH của môi trường, tạo điều kiện cho
quá trình thủy phân protein, thủy phân khoáng tạo thành các lactat canxi,
magie…là các muối tan được trong nước. Bằng phương pháp ly tâm, phần
dung dịch lỏng chứa protein và các muối khoáng hòa tan được loại bỏ thu
được phần chitin không hòa tan. Để có chitin sạch, có thể xử lý tiếp bằng
dung dịch axit và kiềm loãng.

OH

NHCOCH3

OH
O

O

OH

O

OH

NH2

n

O
NHCOCH3

x

Sơ đồ 1.2: Điều chế chitosan
Chitosan thu được theo phương pháp này có DDA lên tới 90%. Để thu
được chitosan có độ deaxetyl hóa cao hơn phải tiến hành phản ứng lặp đi lặp
lại nhiều lần. Phản ứng deaxetyl hóa β-chitin diễn ra dễ dàng hơn nhiều so với
α-chitin: Từ các mẫu α-chitin, β-chitin có DDA tương đương nhau tiến hành
phản ứng deaxetyl hóa trong NaOH 30% ở 100oC với thời gian như nhau (2

3. Tính chất hóa học [1,2,5]
Công thức tổng quát của chitin là: (C8H13NO5)n
OH

OH

O

O
O

OH
NHAc

O

OH
n

NH2

m

Sơ đồ 1.4: Công thức cấu tạo của chitin/chitosan
Ta thấy trong mỗi mắt xích của chitin/chitosan vừa có nhóm chức (OH) vừa có nhóm chức amin (-NHCOCH3/NH2) nên có ba trung tâm phản
ứng chính, vì vậy nó vừa có tính chất của ancol lại vừa có tính chất của amin.

Nguyễn Thị Huế

10

OH

O
NH2

n

Chitin

m

Chitosan
M = (203)n

M = (161)m

Sơ đồ 1.5: Phản ứng đeaxetyl hóa chitin
Phản ứng trên thường được thực hiện với NaOH 40% ở 120 oC trong
1→3h. Hiệu suất đeaxetyl hóa chỉ đạt 70%. Điều này có nghĩa là sản phẩm
phản ứng là chuỗi polyme vẫn có cả mắt xích N-axetyl-D-glucosamin đan xen
với β (1→4) glucosamin.
Để đánh giá mức độ đeaxetyl hóa của chitin người ta đưa ra khái niệm
độ đeaxetyl hóa (DDA) được tính theo công thức sau:
DDA =
Với A là tổng số % mắt xích N-axetyl-D-glucosamin

Nguyễn Thị Huế

11



Nguyễn Thị Huế

12

Lớp K38A – SP Hóa học


Có nhiều phương pháp cắt mạch chitosan như: cắt mạch bằng enzym, cắt
mạch bằng chiếu xạ, cắt mạch bằng phản ứng hóa học… Trong đó cắt mạch
bằng phản ứng hóa học là phương pháp đơn giản và được sử dụng rộng rãi nhất.
3.4.1. Phương pháp chiếu xạ
Quy trình chiếu xạ để thủy phân chitosan:
Chitosan bột, đóng gói bằng polyetylen, được chiếu xạ với nguồn tia γ
Co60(coban), tốc độ chiếu 1,4 kGy.h-1, liều chiếu xạ từ 10-500 kGy. Chitosan
sau khi chiếu xạ được làm trương nở trong nước (100g chitosan/1 lít H2O)
trong 30 phút. Sau đó cho thêm axit axetic 1N, khuấy trong 4 giờ cho tan
hoàn toàn. Tiến hành trung hòa bằng 0,5M natribicacbonat, pH của dung dịch
là 6. Dùng H2O2 để khử màu của sản phẩm và các sản phẩm khác trong quá
trình chiếu xạ. Tiến hành phân tách: Kết tủa bằng dung dịch etanol, sau đó lọc
thu được hai dạng sản phẩm, phần kết tủa, phần nước lọc. Phần kết tủa được
rửa bằng MeOH và làm khô. Phần nước trong được cô đặc lại, kết tủa và đem
lọc thu hồi sản phẩm. Tiến hành đo độ nhớt (η) đồng thời xác định khối lượng
phân tử trung bình (

M

w

) của sản phẩm. Cơ chế của quá trình chiếu xạ:

  Gd  1,04  10 7  D

 M n M no 
Trong đó Mn là khối lượng phân tử trung bình số của chitosan ở liều
lượng hấp thụ được; D và Mno là khối lượng phân tử trung bình số của
chitosan ban đầu. Kết quả thu được cho thấy chitosan 8B (DDA=99%) thì
nhạy cảm hơn phương trình chiếu xạ so với 10B (DDA=90%).
Ưu điểm của phương pháp là không có dư lượng hóa chất nên có độ
tinh khiết cao. Nhược điểm là yêu cầu có thiết bị đặc biệt, hiệu quả cắt mạch
kém hơn so với phương pháp hóa học. Phương pháp chiếu xạ phù hợp cho sự
phân hủy các loại polyme khác nhau.
3.4.2. Phương pháp thủy phân bằng enzym
Có tới hơn 30 loại enzym có thể sử dụng được để phân hủy chitin/chitosan:
chitosanaza, aminaza, hemicellulaza, cellulaza, papain, lysozyme, pepsin…
Trong dó pepsin, papain, pectinaza, có tác nhân lytic tốt hơn các loại enzym
khác và hiệu quả cắt mạch polyme cao nhất là sử dụng pectinaza. Phương pháp
thủy phân bằng enzym cho phép thu được sản phẩm có dư ít lượng hóa chất.
Tuy nhiên vấn đề mở rộng quy trình sản xuất còn rất nhiều khó khăn. Trong số
các loại enzym được sử dụng loại hemicellulaza có giá thành rẻ hơn cả.
Quá trình thủy phân bằng enzym: Chitosan được hòa tan trong dung
dịch axit axetic 1% ÷ 2% khuấy sau 3 giờ, điều chỉnh pH= 5,5. Để qua đêm,
sau đó đặt vào bể ổn nhiệt (50oC với hemixenlluloza) hay tủ ấm (37oC với
pectinaza). Cho dung dịch enzym vào, lượng enzym được tính theo lượng chất
tan (chitosan). Dừng phản ứng cắt mạch sau 3÷30 giờ (tùy từng loại enzym) bằng
cách đun sôi dung dịch phản ứng trong 10 phút để tách bỏ enzym. Tiến hành lọc,
dung dịch sau khi lọc được trung hòa bằng NaOH 10%, pH đạt giá trị pH=9.

Nguyễn Thị Huế

14


R

m

R=NHCOCH3; NH2
Sơ đồ 1.6: Thủy phân chitosan bằng axit HCl loãng
Một số tác giả thủy phân chitosan bằng cách hòa tan chitosan trong axit
HCl (0,5%) với nồng độ polyme 1% ÷ 1,5% khuấy ở 65oC÷100oC trong 3 giờ.
Sau đó để nguội đến nhiệt độ thường. Dùng NaOH để trung hòa (đến pH8).
Tiến hành lọc, phần kết tủa được rửa nhiều lần bằng etanol, sau đó làm khô
bằng axeton. Phần nước trong được tách muối bằng MeOH, sau đó cô đặc lại
và kết tủa trong etanol để thu phần sản phẩm tan trong nước. Các nghiên cứu
cho thấy độ polyme hóa DP phụ thuộc vào nồng độ axit HCl. Khi dùng axit
HCl đặc nóng thu được sản phẩm có DP = 2÷5, khi dùng axit HCl loãng
(0,5%) thu được sản phẩm có DP ≈ 30…
Các loại axit vô cơ đã được sử dụng như: Axit clohydric (HCl), axit
sunfuric (H2SO4), axit photphoric (H3PO4), axit nitric (HNO3).. Trong đó axit
clohydric được nghiên cứu nhiều hơn cả. Do giá thành HCl và khi trung hòa
bằng NaOH, sản phẩm phụ là NaCl không độc, dễ tách.
Ưu điểm của phương pháp là: Phản ứng cắt mạch xảy ra mạnh nhanh,
nhưng các bước tách sản phẩm và dư lượng hoá chất thường khó triệt để, vì
vậy việc nghiên cứu lựa chọn điều kiện phản ứng để nhận được sản phẩm
mong muốn là rất quan trọng.
Sự thủy phân của liên kết glucozit (depolyme hóa) và liên kết N-axetyl
của chitosan được nghiên cứu trong HCl đặc hoặc HCl loãng. Các kết quả
nghiên cứu cho thấy, tốc độ thủy phân của kiên kết glucozit tương đương với
Nguyễn Thị Huế

15

H

H2O

O

O
H
O

O

O

H, OH

+

+
OH

OH

O

O

Sơ đồ 1.7: Sơ đồ cơ chế phản ứng thủy phân axit liên kết glucozit của chitosan
Cơ chế được chấp nhận của quá trình thủy phân liên kết glucozit (phản ứng SN1)
H

NH

OH

O
NH

OH

CH2OH

O

O

NH

OH

H2O

CH2OH

O

OH

NH3

OH