SỬ DỤNG CHẤT HOẠT ĐỘNG bề mặt CATION làm BIẾN TÍNH CARBON HOẠT HOÁ, ỨNG DỤNG hấp PHỤ KIM LOẠI NẶNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM Đề tài: SỬ DỤNG CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT CATION LÀM BIẾN TÍNH CARBON HOẠT HOÁ, ỨN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM

Đề tài: SỬ DỤNG CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT

CATION LÀM BIẾN TÍNH CARBON HOẠT HOÁ, ỨNG

DỤNG HẤP PHỤ KIM LOẠI NẶNG

BÁO CÁO HOÁ HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2022

GVHD: TS PHAN NGUYỄN QUỲNH ANH SVTH: NGUYỄN THỊ PHƯƠNG UYÊN 18125465 LỚP: DH18HS

TÓM TẮT

Việc biến tính các đặc tính bề mặt của chất rắn bằng cách sử dụng chất hoạt động bề mặt

có ý nghĩa thiết thực trong các ứng dụng môi trường và xử lý Chất hoạt động bề mặt chủ yếu được sử dụng làm chất phụ gia để tăng cường các đặc tính nhất định của bề mặt trong các ứng dụng công nghiệp như chế biến than[1], sản xuất xi măng [2], tăng cường độ bám dính của epoxy [3] và hấp phụ steroid trong ngành dược phẩm [4] Sự hấp thụ của chất hoạt động bề mặt đối với đất sét (organoclays) được sử dụng trong lọc nước [5], xử lý nước

thải công nghiệp [6], xử lý nước ngầm bị ô nhiễm và loại bỏ kim loại nặng [7] sử dụng chất

hoạt động bề mặt cation làm biến tính carbon hoạt hoá, ứng dụng hấp phụ kim loại nặng,

để tăng cường sự phân huỷ các chất hữu cơ kỵ nước đã được nghiên cứu gần đây [8] Nghiên cứu mở rộng đã được tiến hành để khám phá cơ chế hấp phụ chất hoạt động bề mặt đối với các bề mặt rắn khác nhau Các hình thành một lớp, hai lớp hoặc hemimicelle có thể xuất hiện trên bề mặt tùy thuộc vào đặc điểm bề mặt và chất hoạt động bề mặt và nồng độ chất hoạt động bề mặt [9]

MỤC LỤC

TÓM TẮT 2

MỤC LỤC HÌNH ẢNH 5

MỤC LỤC BẢNG 6

Chương 1 7

TỔNG QUAN VỀ CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT CATION 7

1.1 Lịch sử nghiên cứu 7

1.2 Định nghĩa 7

1.3 Cấu trúc và một số công dụng của chất hoạt động bề mặt cation 8

1.4 Một số phương pháp điều chế chất hoạt động bề mặt cation 10

Chương 2 11

CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT CATION CETYLPYRIDINIUM CHLORIDE 11

2.1 Lịch sử nghiên cứu Cetylpyridinium Chloride 11

2.2 Định nghĩa Cetylpyridinium Chloride 11

2.3 Cấu trúc phân tử của Cetylpyridinium Chloride 11

2.4 Tính chất hoá học của Cetylpyridinium Chloride 12

2.5 Độc tính của Cetylpyridinium Chloride 12

2.6 Vai trò của Cetylpyridinium Chloride 14

Chương 3 15

SỬ DỤNG CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT CATION LÀM BIẾN TÍNH CARBON HOẠT HOÁ, ỨNG DỤNG HẤP PHỤ KIM LOẠI NẶNG 15

3.1 Giới thiệu 15

3.2 Cơ chế biến tính vật liệu hấp phụ than hoạt tính của Cetylpyridinium Chloride 16

3.3 Cơ chế hấp phụ của than hoạt tính có Cetylpyridinium Chloride 16

3.4 Kết luận 16

TÀI LIỆU THAM KHẢO 18

MỤC LỤC HÌNH ẢNH

Figure 1 alkyl dimethyl benzyl amoni clorua 8

Figure 2 dimethyl sulphat 9

Figure 3 dodecyl metyl poly amoni clorua 9

Figure 4 Cetylpyridinium Chloride 11

MỤC LỤC BẢNG

Table 1 Thông tin an toàn của Cetylpyridinium cloride 12

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT CATION

1.1 Lịch sử nghiên cứu

Chất hoạt động bề mặt cation lần đầu tiên trở nên quan trọng khi tiềm năng thương mại của các đặc tính kìm khuẩn của chúng được công nhận vào năm 1938 Kể từ đó, vật liệu này đã được đưa vào hàng trăm sản phẩm thương mại, mặc dù tầm quan trọng của chúng không bằng vật liệu anion về số lượng tuyệt đối Hiện nay, chất hoạt động bề mặt cation đóng một vai trò quan trọng như chất khử, chất diệt nấm và chất diệt khuẩn nói chung, chất làm mềm vải và chất giữ nếp tóc, và trong một số ứng dụng hóa học số lượng lớn

1.2 Định nghĩa

Chất hoạt động bề mặt thường là các hợp chất hữu cơ lưỡng tính (thường có phần đuôi

kỵ nước và phần đầu ưa nước), cho phép chúng thay đổi các đặc tính bề mặt của chất lỏng

mà chúng có mặt

Chất hoạt động bề mặt thường được phân thành bốn loại, theo điện tích chính thức có trong phần đầu ưa nước của chúng: anion (tích điện âm), cation (tích điện dương), không ion (không tích điện) và lưỡng tính

Chất hoạt động bề mặt Cation là những chất có điện tích dương trên đầu ưa nước Khi hòa tan trong nước, phần ưa nước sẽ tách ra cation Chất hoạt động bề mặt cation ngoài khả năng làm sạch còn có khả năng nhũ hóa và hòa tan Điều đặc biệt chúng hấp thụ rất tốt trên tóc, làm mượt tóc nên thường chúng được sử dụng phổ biến hơn trong các sản phẩm chăm sóc tóc

Các Chất hoạt động bề mặt cation thường là:

• CTAB : Cetyl trimethylammonium bromide

• CPC : Cetylpyridinium chloride

• POEA : Polyethoxylated tallow amine

• BAC : Benzalkonium chloride

• BZT : Benzethonium chloride

1.3 Cấu trúc và một số công dụng của chất hoạt động bề mặt cation

Các chất hoạt động bề mặt cation phổ biến nhất là các hợp chất amoni bậc bốn [10], [11] với công thức chung R’R’’R’’’R’’’’N+X- , trong đó X- thường là ion clorua và R đại diện cho các nhóm ankyl Một loại cation phổ biến là ankyl trimetyl amoni clorua, trong đó R chứa 8–18 nguyên tử C,

Ví dụ: dodecyl trimetyl amoni clorua, C12H25 (CH3) 3NCl Một loại chất hoạt động bề mặt cation được sử dụng rộng rãi khác là chứa hai nhóm alkyl mạch dài, tức là dialkyl dimethyl amoni clorua, với các nhóm alkyl có độ dài chuỗi 8–18 nguyên tử C Các chất hoạt động bề mặt dialkyl này ít hòa tan trong nước hơn so với đồng phân bậc bốn monoalkyl, nhưng chúng thường được sử dụng trong chất tẩy rửa làm chất làm mềm vải Chất hoạt động bề mặt cation được sử dụng rộng rãi là alkyl dimethyl benzyl amoni clorua (đôi khi được gọi là benzalkonium clorua và được sử dụng rộng rãi như chất diệt khuẩn) (Figure 1)

Figure 2 alkyl dimethyl benzyl amoni clorua

Imidazoline cũng có thể tạo thành bậc bốn, sản phẩm phổ biến nhất là dẫn xuất ditallow bậc bốn với dimethyl sulphat (Figure 2)

Figure 3 dimethyl sulphat

Các chất hoạt động bề mặt cation cũng có thể được sửa đổi bằng cách kết hợp các chuỗi poly (etylen oxit), ví dụ dodecyl metyl poly (etylen oxit) amoni clorua (Figure 3)

Figure 4 dodecyl metyl poly amoni clorua

Chất hoạt động bề mặt ion thường tan trong nước khi chỉ có một nhóm alkyl dài Chúng thường tương thích với hầu hết các ion vô cơ và nước cứng, nhưng chúng không tương thích với metasilicat và phốt phát cô đặc cao Chúng cũng không tương thích với các vật liệu giống protein Các cation thường bền với sự thay đổi pH, cả axit và kiềm Chúng không tương thích với hầu hết các chất hoạt động bề mặt anion, nhưng chúng tương thích với không ion Các chất hoạt động bề mặt cation này không hòa tan trong dầu hydrocacbon Ngược lại, các cation có từ hai chuỗi alkyl dài trở lên có thể hòa tan trong dung môi hydrocacbon, nhưng chúng chỉ trở nên phân tán trong nước (đôi khi tạo thành cấu trúc dạng

túi kép) Chúng thường ổn định về mặt hóa học và có thể dung nạp chất điện giải Các C.M.C của chất hoạt động bề mặt cation gần với của anion có cùng chiều dài mạch alkyl Công dụng chính của các chất hoạt động bề mặt cation là xu hướng hấp phụ của chúng ở các bề mặt tích điện âm, ví dụ: chất chống ăn mòn cho thép, chất thu nổi cho quặng khoáng, chất phân tán cho chất màu vô cơ, chất chống tĩnh điện cho nhựa, chất chống tĩnh điện khác

và chất làm mềm vải, chất dưỡng tóc, chất chống đông cho phân bón và như chất diệt khuẩn

1.4 Một số phương pháp điều chế chất hoạt động bề mặt cation

Các chất hoạt động bề mặt cation, đặc biệt là muối của ion amoni bậc bốn hoặc pyridinium,

có thể dễ dàng được điều chế bằng phương pháp bậc bốn Hầu hết chúng là chất rắn kết tinh ổn định và chúng có thể được tinh chế bằng cách kết tinh lại Có sẵn nhiều loại chất hoạt động bề mặt ion amoni bậc bốn Các tính chất vật lý của chúng phụ thuộc vào bản chất của (các) nhóm alkyl kỵ nước, nhưng dư lượng trykylamonium cũng có thể khác nhau mặc dù sự biến đổi cấu trúc này chưa được kiểm tra một cách có hệ thống Các đặc tính của mixen hoặc các tổ hợp keo khác phụ thuộc vào chất phản ứng Anion này có thể được thay đổi, hoặc trong bậc bốn ban đầu hoặc bằng cách trao đổi một anion này cho một anion khác Sự biến đổi cấu trúc đa dạng này là một tính năng đặc biệt hấp dẫn của cation, trái ngược với chất hoạt động bề mặt không ion, anion hoặc zwitterionic

Chương 2 CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT CATION CETYLPYRIDINIUM CHLORIDE 2.1 Lịch sử nghiên cứu Cetylpyridinium Chloride

Cetylpyridinium Chloride (CPC) lần đầu tiên xuất hiện trong tài liệu hóa học vào những năm 1930 Dược sĩ C Lee Huyck tại Đại học Xavier, Louisiana (New Orleans) đã viết một tài liệu đầu tiên về các đặc tính khử trùng của nó vào năm 1944

2.2 Định nghĩa Cetylpyridinium Chloride

Cetylpyridinium clorua (CPC) là một chất khử trùng muối amoni bậc bốn được sử dụng trong một số loại nước súc miệng, thuốc đánh răng, viên ngậm, thuốc xịt cổ họng, thuốc xịt hơi thở và thuốc xịt mũi Nó là một chất khử trùng tiêu diệt vi khuẩn và các vi sinh vật khác Nó đã được chứng minh là có hiệu quả trong việc ngăn ngừa mảng bám răng và giảm viêm nướu [12], [13] Nó cũng đã được sử dụng như một thành phần trong một số loại thuốc trừ sâu

CPC có bán trên thị trường và có thể được tổng hợp bằng phản ứng của cetyl clorua với pyridin1a và bằng phản ứng alkyl hóa của pyridin với cetyl diclorophosphat

2.3 Cấu trúc phân tử của Cetylpyridinium Chloride

Danh pháp IUPAC: 1-Hexadecylpyridin-1-ium chloride

Tên được chia thành:

1 Cetyl- có nghĩa là nhóm cetyl, dẫn xuất từ rượu cetyl lần đầu tiên được phân lập từ dầu cá voi (tiếng Latinh: cetus); [14]

2 Pyridinium dùng để chỉ cation [C5H5NH] +, axit liên hợp của pyridin;

3 Clorua dùng để chỉ anion Cl−

Figure 5 Cetylpyridinium Chloride

2.4 Tính chất hoá học của Cetylpyridinium Chloride

Công thức phân tử của cetylpyridinium clorua là C21H38NCl Ở dạng tinh khiết, nó là chất rắn ở nhiệt độ phòng Nó có điểm nóng chảy là 77 ° C khi ở dạng khan hoặc 80–83 °

C ở dạng monohydrat Nó hòa tan trong nước nhưng không hòa tan trong axeton, axit axetic hoặc etanol Nó có mùi giống như pyridine Nó dễ bắt lửa Các dung dịch đậm đặc có khả năng phá hủy màng nhầy Nồng độ micelle tới hạn (CMC) của nó là ~ 0,0009–0,0011M, [15] và phụ thuộc nhiều vào nồng độ muối của dung dịch

2.5 Độc tính của Cetylpyridinium Chloride

Chuyên khảo của Cơ quan Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm liên bang của Hoa Kỳ về các sản phẩm thuốc sát trùng miệng đã xem xét dữ liệu liên quan đến CPC và đưa ra kết luận sau:

Cơ quan này tin rằng thông tin có trong các hồ sơ phản ứng có hại, 30 năm tiếp thị an toàn loại nước súc miệng OTC có chứa cetylpyridinium chloride (NDA 14-598) và dữ liệu

an toàn được đánh giá bởi Oral Cavity Panel là đủ để kết luận rằng 0,025 đến 0,1 phần trăm cetylpyridinium clorua an toàn như một chất khử trùng miệng OTC khi được dán nhãn để

sử dụng trong thời gian ngắn (không quá 7 ngày) [16]

Mạng Dữ liệu Độc tính của Thư viện Y học Quốc gia (TOXNET) đã xem xét phạm vi độc tính của CPC và tuyên bố "Hiếm khi có độc tính đáng kể sau khi tiếp xúc với các sản phẩm có nồng độ thấp thường có sẵn trong nhà." [17]

Liều gây tử vong ở người khi ăn phải chất tẩy rửa cation đã được ước tính là từ 1 đến 3

g [18] Do đó, một người sử dụng sản phẩm tiêu hóa đường uống thông thường cung cấp 0,25 mg CPC mỗi liều sẽ cần dùng 4.000 liều cùng một lúc để đạt được phạm vi liều gây

tử vong ước tính

Table 1 Thông tin an toàn của Cetylpyridinium cloride

Cấp độ nguy hiểm Cảnh báo nguy hiểm

Độc tính cấp, qua đường

miệng, loại 4 H302 H302—Có hại nếu nuốt phải

Ăn mòn / kích ứng da, loại

2

H315—Gây kích ứng da Cảnh báo an toàn hóa chất

Gây tổn thương mắt

nghiêm trọng / kích ứng

mắt, loại 1

H318—Gây tổn thương mắt nghiêm trọng Cảnh báo an toàn hóa chất

Độc cấp tính: hít phải, loại

2

H330—Gây tử vong nếu hít phải Cảnh báo

An toàn Hóa chất

Độc tính đối với cơ quan

đích cụ thể, phơi nhiễm

đơn lẻ, kích ứng đường hô

hấp, loại 3

H335—Có thể gây kích ứng đường hô hấp Cảnh báo an toàn hóa chất

Như được trình bày trong bảng thông tin nguy hiểm, CPC tự nó có một số đặc tính nguy hiểm; nhưng nồng độ của nó trong các sản phẩm tiêu dùng được coi là quá nhỏ để đáng quan tâm - cho đến gần đây Năm 2020, Brian K Shoichet tại Đại học California, San Francisco; Laszlo Urban tại Viện Nghiên cứu Y sinh Novartis (Cambridge, MA); và các nhà nghiên cứu tại các tổ chức khác đã công bố một nghiên cứu cho thấy rằng một số chất phụ gia dược phẩm được cho là trơ như CPC có hoạt tính sinh học tiềm năng Nhưng kết quả không nhất thiết có nghĩa là các chất đó là độc hại

2.6 Vai trò của Cetylpyridinium Chloride

Cetylpyridinium clorua (CPC) là một chất khử trùng muối amoni bậc bốn được sử dụng trong nhiều sản phẩm chăm sóc cá nhân không kê đơn: nước súc miệng, thuốc đánh răng, viên ngậm, thuốc xịt hơi thở và mũi Nó cũng được sử dụng trong các sản phẩm chống nhiễm trùng tại chỗ và như một chất bảo quản dược phẩm.[18]

CPC là một chất chống tự hoại tiêu diệt vi khuẩn và các vi sinh vật khác Do đó, nó có hiệu quả trong việc ngăn ngừa mảng bám răng và giảm viêm nướu.CPC được sử dụng rộng rãi trong các công thức công nghiệp và thương mại, bao gồm chất khử trùng, mỹ phẩm và dược phẩm

Chương 3

SỬ DỤNG CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT CATION LÀM BIẾN TÍNH CARBON

HOẠT HOÁ, ỨNG DỤNG HẤP PHỤ KIM LOẠI NẶNG 3.1 Giới thiệu

Các kim loại nặng trong hệ thống nước là nguy hại đối với môi trường và con người do

sự tích tụ sinh học thông qua chuỗi thức ăn và tồn tại trong tự nhiên[19] Ngược lại với các chất ô nhiễm hữu cơ, thường bị phân huỷ về mặt sinh học, các kim loại nặng không bị phân huỷ thành các sản phẩm vô hại và không độc hại [20] Vì vậy, việc xử lý kim loại nặng từ nước và nước thải đã và đang là một trong những vấn đề môi trường quan trọng hàng đầu Các công nghệ khác nhau bao gồm kết tủa hóa học, lắng đọng điện, trao đổi ion

và hấp phụ đã được áp dụng để loại bỏ các kim loại nặng khỏi pha nước Kết tủa thường được sử dụng để loại bỏ các kim loại nặng cation, nhưng nó không hiệu quả để loại bỏ các ion anion như crom (VI) và asen

Quá trình hấp phụ là một kỹ thuật hiệu quả để xử lý các kim loại anion Vật liệu hấp phụ phổ biến nhất là than hoạt tính, có diện tích bề mặt riêng rất lớn, các lỗ xốp vi mô và vĩ mô dồi dào, khả năng hấp phụ cao Than hoạt tính có lợi về mặt kinh tế vì nó có thể được làm

từ các vật liệu khác nhau giá rẻ có hàm lượng cacbon cao bao gồm gỗ, than đá, than cốc, mùn cưa và vỏ dừa [21] Gần đây, một kỹ thuật biến đổi bề mặt đã được báo cáo để nâng cao tốc độ hấp phụ và dung lượng của than hoạt tính [21], [22]

Chất hoạt động bề mặt là một cấu trúc lưỡng tính cùng với một nhóm kỵ nước và cùng một nhóm ưa nước Các chất hoạt động bề mặt được hấp phụ lên bề mặt chất rắn và làm thay đổi tính chất bề mặt của chất rắn, đặc biệt là ở bề mặt phân cách Trong những năm gần đây, việc sử dụng các chất hoạt động trong xử lý nước và nước thải đã được ưu tiên đặc biệt để tách các ion kim loại và các chất độc hại khác

Ảnh hưởng của chất hoạt động bề mặt, sử dụng chất hoạt động bề mặt cation, cetylpyridinium chloride (CPC) được phân tích theo tốc độ hấp phụ (động năng hấp phụ)

và dung lượng (đẳng nhiệt hấp phụ) đối với Cr (VI)