41 CHƢƠNG 2 THỰC NGHIỆM 2 1 Hóa chất, dụng cụ và thiết bị Đề tài sử dụng các hóa chất chính mức độ tinh khiết hóa học với các thông số kỹ thuật sau Phenol 99% Trung Quốc; NaNO2 99% Trung Quốc; Chitosan cung cấp ởi công ty TNHH MTV chitosan Việt Nam; Sodium tripolyphosphate (STPP) 56 60% P2O5, Trung Quốc; NaOH 96% Trung Quốc; CH3COOH 99,5% Trung Quốc; Nƣớc khử ion Merck; Sodium alginate GRM7494 500G, Himedia, Ấn độ; Tyrosinase from mushroom (EC 1 14 18 1) ≥1000 unitmg, Sigma; .
Trang 141
2.1 Hóa chất, dụng cụ và thiết bị
Đề tài sử dụng các hóa chất chính mức độ tinh khiết hóa học với các thông số kỹ thuật sau:
Phenol 99%: Trung Quốc;
NaNO2 99%: Trung Quốc;
Chitosan: cung cấp ởi công ty TNHH MTV chitosan Việt Nam;
Sodium tripolyphosphate (STPP): 56-60% P2O5, Trung Quốc;
NaOH 96%: Trung Quốc;
CH3COOH 99,5%: Trung Quốc;
Nước khử ion: Merck;
Sodium alginate: GRM7494-500G, Himedia, Ấn độ;
Tyrosinase from mushroom (EC 1.14.18.1): ≥1000 unit/mg, Sigma;
Giấy lọc Newstar cellulose, kích thước lỗ xốp 11 µm, Trung Quốc;
C2H5OH 96%: Trung Quốc;
Na2HPO4.12H2O 98%: Trung Quốc;
KH2PO4 99%: Trung Quốc
Thiết bị và dụng cụ chính sử dụng cho nghiên cứu này gồm có:
Hệ thống chưng cất Kjeldahl, Đức;
Máy khuấy cơ IKA RW 20 digital, Đức;
Thiết ị đo sức c ng ề mặt CSC-Duouy
Nhớt kế mao quản thủy tinh Cannon
Máy đo pH InoLa , Trung Quốc;
Máy đông khô Scanvac CoolSafe, Đan Mạch;
Tủ lạnh âm sâu Biomedical Freezer, MDF-U5312, Nhật Bản;
Máy ly tâm 6000 vòng/phút: Hettich EBA20, Đức;
Máy ly tâm lạnh 15000 vòng/phút: Hettich UNIVERSAL 320R, Đức;
Trang 242
Máy siêu âm: Bransonic, 3510E-DTH, Mexico;
Tủ sấy Memmert UN30 (32l, 300°C, đối lưu tự nhiên, 1 màn hình), Đức;
Cân phân tích Sartorius, Mỹ;
Điện thoại Sony XZ Dual với Camera sau 23MP, Nhật;
Becher: 50 mL, 100 mL, Đức;
Micropipet: 10 µL, 100 µL, 1000 µL, 5000 µL, Đức;
Bình định mức: 10 mL, 25 mL, 100 mL, 500 mL, Đức
2.2 Chuẩn bị dung dịch chuẩn
Các dung dịch chuẩn được tính toán và chuẩn ị như sau:
Dung dịch phenol gốc 500 ppm trong nước
Cân 0,25 g phenol cho vào ình định mức 500 mL, định mức ằng nước cất Dung dịch HCl 0,4 M trong nước
Hút 2,1 mL HCl 36% cho vào ình định mức, định mức ằng nước cất
Dung dịch TYR 10 mg/mL trong đệm phosphate pH=6,5
Enzyme TYR được pha trong dung dịch đệm phosphate, pH 6,5 ở 25°C, sử dụng nước khử ion đã được lọc qua màng lọc vi sinh Dung dịch TYR có nồng độ 10 mg/mL có ngh a là trong 1 mL dung dịch đệm sẽ có 10 mg enzyme Như vậy 1
lọ 9,3 mg enzyme sẽ được hòa tan trong 0,93 mL dung dịch đệm để có dung dịch TYR 10 mg/mL Enzyme TYR gốc có 2687 U/mg do đó 1 lọ enzyme TYR có 9,3 mg sẽ chứa 24989 U
Dung dịch nCTS 10 mg/mL trong acid acetic
Trang 343
Cân 0,25g nCTS hòa tan ằng acid acetic 2% và định mức 25mL
Dung dịch COS 10 mg/mL trong acid acetic
Cân 0,25g COS hòa tan ằng acid acetic 2% và định mức 25mL
Dung dịch ALG 10 mg/mL trong nước
Cân 0,25g ALG hòa tan ằng nước cất và định mức 25mL
2.3 Pha dung dịch làm việc
Các dung dịch làm việc được tính toán và chuẩn ị như sau:
Dung dịch phenol 100 ppm: Hút 10 mL dung dịch phenol gốc 500 ppm cho vào ình định mức 50 mL, định mức ằng nước cất
Dung dịch HCl 0,01 M: Pha các dung dịch HCl 0,01 M ằng cách hút 1,25 mL dung dịch HCl 0,4 M cho vào ình định mức 50 mL, định mức ằng nước cất
Dung dịch TYR 500 U/mL: Pha 1 mL dung dịch enzyme Tyrosinase 500 U/mL ằng cách hút 20 µL enzyme 10 mg/mL, thêm 980 µL dung dịch đệm phosphate
Dung dịch nCTS: 0,5 mg/mL: Hút 0,5 mL dung dịch nCTS 10 mg/mL cho vào ình định mức 10 mL, định mức ằng nước cất
Dung dịch COS: 0,5 mg/mL: Hút 0,5 mL dung dịch COS 10 mg/mL cho vào ình định mức 10 mL, định mức ằng nước cất
Dung dịch STTP 0,25% (w/v) trong nước: Cân 0,25g STPP hòa tan và định mức
100 mL ằng nước cất
Dung dịch ALG: 0,025 mg/mL: Hút 0,25 mL dung dịch ALG 10 mg/mL cho vào ình định mức 100 mL, định mức ằng nước cất
Dung dịch NaNO2 0.1M trong nước:
Trang 444
Cân 0,69697g NaNO2 hòa tan và định mức 100 mL ằng nước cất Dung dịch NaOH : 1M
Cân 4,1666g NaOH hòa tan và định mức 100 mL ằng nước cất
Dung dịch acid acetic 1% (v/v): Hút 1 mL acid acetic đậm đặc cho vào ình định mức 100 mL, định mức ằng nước cất
Dung dịch đệm phosphat pH=6,2: Cần chuẩn ị 2 dung dịch A và B như sau: Dung dịch A: Cân 23,9g Na2HPO4.12H2O 1/15M hòa tan và cho vào ình định mức 1000 mL, định mức ằng nước cất đã khử ion Dung dịch B: Cân 9,07g
KH2PO4 1/15M hòa tan và cho vào ình định mức 1000 mL, định mức ằng nước cất đã khử ion Dung dịch đệm phosphat pH=6,2 được tạo ra như sau: cho
184 mL dung dịch A và 816 mL dung dịch B vào ình định mức, lắc đều, kiểm tra lại pH ằng máy đo pH, sau đó dùng ống nhỏ giọt, nhỏ thêm từ từ dung dịch
A vào hỗn hợp cho đến khi pH=6,2 thì dừng lại
2.4 Phương pháp nghiên cứu
Sơ đồ và nội dung nghiên cứu của đề tài được trình ày ở Hình 2.1 Có 4 nội dung chính trong nghiên cứu này là:
- Điều chế COS và nCTS từ CTS thương mại và xác định các đặc trưng hóa lý của COS và nCTS
- Nghiên cứu phối liệu dung dịch in phun của các vật liệu nCTS, ALG, TYR
sử dụng dung môi EtOH/H2O và chất hoạt động ề mặt (CHĐBM) Tween
20
Trang 545
- Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chế tạo, điều kiện ảo quản, điều kiện phản ứng và đặc trưng kỹ thuật của 2 loại giấy CTM ằng phương pháp in phun từng lớp vật liệu theo trật tự sau:
Cell_nCTS: Giấy (Cell)/nCTS/TYR/ALG/nCTS
- Xác nhận giá trị sử dụng của phương pháp xác định phenol trong nước thải
sử dụng giấy CTM vừa chế tạo theo tiêu chuẩn ISO/IEC 17025:2017
Hình 2.1 Sơ đồ và nội dung nghiên cứu
2.4.1 Điều chế COS và nCTS và xác định các đặc trưng hóa lý
2.4.1.1 Điều chế COS và nCTS
Sơ đồ quy trình điều chế COS được trình ày ở Hình 2.2 Các ước thực hiện như
Trang 646
sau: 10 gam CTS nguyên liệu cho vào eacher chứa 1000 mL dung dịch acid acetic 1% (v/v), siêu âm khuấy trộn hỗn hợp trong 3 giờ với vận tốc 1500 vòng/phút Thêm từ từ 50 mL dung dịch NaNO2 0,1 M vào hỗn hợp, tiếp tục khuấy siêu âm thêm 2 giờ sau đó lọc loại ỏ phần cặn ẩn Dùng NaOH 0,5 M điều chỉnh dung dịch sau lọc về pH=7 Để yên hỗn hợp trong 30 phút, lọc lấy phần rắn, rửa qua nước nhiều lần để loại kiềm dư và sấy ằng máy đông khô ở nhiệt độ -45°C, 0,001 mBar trong 24 giờ Sản phẩm COS được ảo quản ở -30°C [46]
CTS
Khuấy siêu âm
Lọc Khuấy siêu âm
Khuấy
Ly tâm Rửa Sấy chân không COS
AcOH 1%
NaNO 2 0,1M NaOH 0,5M, pH=7
Hình 2.2 Sơ đồ quy trình điều chế COS
Sơ đồ quy trình điều chế nCTS được trình ày ở Hình 2.3 Các ước thực hiện như sau: Chuẩn ị dung dịch 0,5% (w/v) trong acid acetic 1% (v/v) của COS được điều chế ở trên, sau đó điều chỉnh dung dịch đến pH=7 ằng NaOH 0,5 M, tiếp tục nhỏ
từ từ STPP 0,25% (w/v) vào dung dịch trong điều kiện khuấy siêu âm ở nhiệt độ phòng trong 3 giờ (1500 vòng/phút) Ly tâm dung dịch với tốc độ 14000 vòng/phút trong 30 phút, ỏ cặn, rửa dung dịch nhiều lần với nước khử ion nCTS thu được
Trang 747
sau khi đông khô dung dịch ở nhiệt độ -45°C, áp suất 0,001 mBar trong 72 giờ nCTS được ảo quản ở 5°C trong tủ lạnh [47]
COS
Khuấy siêu âm Khuấy siêu âm
Sấy chân không nCTS
AcOH 1%
STTP 0,25%
tỷ lệ 1:6
H 2 O Ly tâm tốc độ cao
Ly tâm tốc độ cao Chất rắn
Chất rắn
Hình 2.3 Sơ đồ quy trình điều chế nCTS
2.4.1.2 Xác định độ deacetyl hóa
Độ deacetyl hóa (DDA) là một đặc tính quan trọng của CTS và các dẫn xuất của nó
vì thông số này ảnh hưởng nhiều đến các tính chất quan trọng như tính tan, độ nhớt, tính kháng khuẩn, Hiện nay có rất nhiều phương pháp xác định DDA của CTS như phân tích nguyên tố, UV (Ultraviolet spectroscopy) [48], IR (infrared spectra)
và NMR (Nuclear Magnetic Resonance), Phương pháp phổ iến hiện nay là phương pháp IR Trong nghiên cứu này, DDA được tính ằng công thức theo phương pháp của tác giả Brugnerott [49] như sau:
[
]
Trang 848
Trong đó:
- A1320: cường độ hấp thu tại ước sóng 1320 cm-1
- A1420: cường độ hấp thu tại ước sóng 1420 cm-1
FT-IR của CTS, COS, nCTS được xác định ằng thiết ị quang phổ hồng ngoại FT/IR4700, Đức tại Trường Đại học Công nghiệp TP.HCM
2.4.1.3 Xác định khối lượng phân tử trung bình
Khối lượng phân tử của CTS, COS và nCTS được xác định ằng phương pháp sắc
kí gel thẩm thấu (Gel Permeation Chromatography - GPC) với thiết ị Agilent 1100 Series, Đức tại Phòng thí nghiệm trung tâm, Đại học KHTN, TP.HCM
2.4.1.4 Xác định hình thái và cấu trúc bề mặt
Hình thái và cấu trúc ề mặt của CTS, COS và nCTS được xác định ằng phương pháp đo SEM sử dụng thiết ị FE-SEM JSM 7401, Nhật Bản tại phòng thí nghiệm Công nghệ nano, khu Công nghệ cao TP.HCM (nCTS) và thiết ị FE-SEM
SU-8020, Nhật Bản tại Viện Công nghệ nano Đại học Quốc gia TP.HCM (CTS và COS)
2.4.1.5 Xác định kích thước hạt
nCTS được xác định phân ố kích thước hạt và kích thước hạt ằng phương pháp DLS sử dụng thiết ị Particle Size Analysis Refractive Index Analytical Instrument Laser Granulometer, Trung Quốc tại Viện Công nghệ nano Đại học Quốc gia TP.HCM
2.4.1.6 Xác định trạng thái pha và tinh thể
CTS, COS và nCTS được kiểm tra trạng thái pha và tinh thể ằng phương pháp XRD sử dụng thiết ị XRD-6100, Shimadzu tại khoa Công nghệ Hóa học trường Đại học Công nghiệp TP.HCM
Trang 949
2.4.2 Phối liệu dung dịch in phun
nCTS, TYR và ALG được phối liệu với dung môi EtOH và chất HĐBM Tween 20
để có các tính chất quan trọng như độ nhớt, sức c ng ề mặt, pH tương tự như dung dịch mực in Trong quá trình phối liệu dung dịch in được kiểm tra độ nhớt (ASTM
D 445 -11), sức c ng ề mặt (TCVN 4864:2007), pH (TCVN 6492:2011) và khả
n ng in phun trên ề mặt giấy lọc Ảnh hưởng các tỷ lệ phối trộn của vật liệu với dung môi và chất HĐBM cũng đã được khảo sát
2.4.3 Chế tạo hộp đo màu và lựa chọn phần mềm định lượng màu sắc
Màu của giấy CTM xác định dựa trên hình ảnh được chụp ằng camera của smartphone sử dụng phần mềm ImageJ và không gian màu RGB Hộp chụp mẫu là một hộp nhựa bên trong phủ màu đen đồng nhất dài 25cm, rộng 15cm, cao 10cm, có
hệ thống chiếu ánh sáng trắng ằng thanh đèn Led SMD 7020 công suất 18W/1m/72, điện áp 12V DC Máy ảnh được đặt cố định trên ề mặt hộp có góc chụp vuông góc với bề mặt mẫu đặt cố định ở trong hộp (Hình 2.4) Các vùng xác định màu đều có cùng diện tích và được đặc trưng ởi các giá trị màu đỏ (R), xanh
lá (G), xanh da trời (B), cường độ màu (I) (Hình 2.5) Mỗi mẫu được đo lặp lại 3 lần, lấy giá trị trung ình
Hình 2.4 Hộp đo màu
Trang 1050
Hình 2.5 Phần mềm ImageJ
2.4.4 Chế tạo giấy CTM
Giấy lọc được ngâm trong ethanol 60 phút, để khô hoàn toàn và được gắn lên ề mặt đế là tờ giấy in khổ A4 Dùng út sáp vẽ lên ề mặt giấy lọc các vòng tròn đường kính 1,2 cm, đặt vào giữa hai tờ giấy ạc và gia nhiệt 140°C 10 phút để sáp nóng chảy thấm qua tờ giấy, tạo một lớp kỵ nước hiệu quả đồng thời ng n chặn sự uốn cong của giấy trong quá trình in phun
Máy in phun Epson T50 có 6 hộp màu mực tiếp ngoài Mỗi hộp màu được quy ước cho từng dung dịch in với các thông số R, G và B tương ứng:
Yellow Black Light Cyan Light
Magenta Magenta Cyan
Trang 1151
Stt Màu hộp mực Dung dịch in
phun
Thông số (R, G, B) cài
đặt
Giấy CTM được chế tạo ằng cách lắng đọng từng lớp vật liệu sử dụng phương pháp in phun có cấu trúc như sau:
- Giấy CTM sử dụng chất mang nCTS để cố định TYR:
Cell_nCTS: Giấy (Cell)/nCTS/TYR/ALG/nCTS
Tiến hành in phun từng lớp dung dịch theo trật tự cấu trúc trên Trước khi phun tiếp lớp dung dịch khác, giấy CTM phải được để khô hoàn toàn Sau khi in lớp dung dịch cuối cùng, để yên giấy CTM một thời gian để ổn định ma trận, tạo các liên kết ngang giữa các polyme đa điện tích nCTS, ALG và TYR
Hình 2.6 Máy in phun Epson T50 với 6 hộp màu mực tiếp ngoài
Trang 1252
2.4.5 Khảo sát ảnh hưởng màu sắc của từng lớp hóa chất trên bề mặt giấy
Màu sắc của từng lớp đơn chất trên ề mặt giấy được khảo sát khi tiến hành in phun từng dung dịch vật liệu ký hiệu lần lượt là Cell/nCTS, Cell/ALG Cell/TYR, Cell/phenol Sự thay đổi màu cũng được so sánh giữa mẫu trắng là giấy CTM và giấy CTM sau khi nhỏ phenol (3 µL, 1,0 ppm) tạo ra quinone là sản phẩm oxy hóa của phenol với TYR Mỗi dung dịch được in phun 5 lớp và theo trật tự sau: Cell_nCTS: nCTS/TYR/AlG/nCTS
Sau khi in phun xong mỗi loại dung dịch, các màu R, G và B đã được xác định để
so sánh và đánh giá
2.4.6 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng quá trình chế tạo và điều kiện phản ứng của giấy CTM
Các yếu tố ảnh hưởng của quá trình chế tạo Cell_nCTS gồm thể tích, nồng độ và số lớp của các chất mang nCTS, enzyme TYR, ALG và các chất phủ ảo vệ ề mặt nCTS, thời gian ổn định ma trận giữa TYR và các polyme đa điện tích, nhiệt độ chế tạo Các yếu tố ảnh hưởng đến điều kiện phản ứng gồm có nhiệt độ và thời gian phản ứng, thể tích phenol Các điều kiện lưu trữ giấy CTM là thời gian và nhiệt độ lưu trữ cũng là một trong những thông số quan trọng được khảo sát Phương pháp nghiên cứu được thực hiện theo nguyên tắc tối ưu từng iến Ảnh hưởng của các yếu tố quá trình được đánh giá dựa vào xu hướng thay đổi của các màu R, G, B chủ yếu là màu R vì đây là màu của sản phẩm oxy hóa TYR với phenol và cường độ I Phương pháp nghiên cứu là tối ưu từng iến
Để khảo sát các yếu tố ảnh hưởng của quá trình chế tạo Cell_nCTS, các thông số được thay đổi theo trật tự và lần lượt như sau:
Trang 1353
Bảng 2.1 Khảo sát ảnh hưởng của nCTS
Loại giấy
Thông số khảo sát
Số lớp
Cell_nCTS
nCTS/TYR (30 U/mL, 5 lớp)/ ALG
(0,25 mg/mL, 5 lớp), nCTS (0,5 mg/mL, 5 lớp)/phenol (1 ppm, 3 L,
1 lớp), thời gian ổn định 20 phút, nhiệt độ phản ứng 40°C, thời gian phản ứng 60 phút
1-20
Bảng 2.2 Khảo sát ảnh hưởng của TYR
Loại giấy
Thông số khảo sát
Số lớp
Cell_nCTS
nCTS/TYR/ALG (0,25 mg/mL, 5
lớp), nCTS (0,5 mg/mL, 5 lớp)/phenol (1 ppm, 3 L, 1 lớp), thời gian ổn định 20 phút, nhiệt độ phản ứng 40°C, thời gian phản ứng
60 phút
1-20
Trang 1454
Bảng 2.3 Khảo sát ảnh hưởng của ALG
Loại giấy
Thông số khảo sát
Số lớp
Cell_nCTS
nCTS/TYR/ALG/nCTS (0,5 mg/mL,
5 lớp)/phenol (1 ppm, 3 L, 1 lớp), thời gian ổn định 20 phút, nhiệt độ phản ứng 40°C, thời gian phản ứng
60 phút
1-20
Bảng 2.4 Khảo sát ảnh hưởng của COS và nCTS phủ bề mặt
Loại giấy
Thông số khảo sát
Số lớp
Cell_nCTS
nCTS/TYR/ALG/nCTS/phenol (1 ppm, 3 L, 1 lớp), thời gian ổn định
20 phút, nhiệt độ phản ứng 40°C, thời gian phản ứng 60 phút
1-20
Trang 1555
Các thông số còn lại ảnh hưởng đến điều kiện chế tạo giấy CTM và phản ứng của phenol khi được nhỏ lên ề mặt giấy CTM được khảo sát trong phạm vi sau:
Thời gian ổn định ma trận liên kết ngang của các polyme đa điện tích như nCTS, ALG cố định TYR trên nền cellulose của giấy lọc ký được khảo sát từ 45 phút đến 120 phút
Thể tích phenol phản ứng hoàn toàn với TYR khi được nhỏ lên ề mặt giấy CTM được khảo sát tương ứng từ 2,5-5,0 (µL)
Nhiệt độ phản ứng và thời gian phản ứng được khảo sát được trình ày trong Bảng 2.5 TYR có hoạt tính cao nhất 40°C do đó nhiệt độ phản ứng chỉ tập trung khảo sát ở nhiệt độ thường và 40°C
Bảng 2.5 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ ổn định và nhiệt độ phản ứng
Nhiệt độ phản ứng (0C) Thời gian phản ứng (phút)
nCTS
30
30
45
60
75
40
30
45
60
75
50
30
45
60
75
Giấy CTM được khảo sát lưu trữ ở điều kiện nhiệt độ phòng và nhiệt độ lạnh 4°C trong tủ lạnh từ 60 phút cho đến 15 ngày
