ChemTech

Congnghehoahoc.org

HYDROXYAPATIT

Hydroxyapatit, Ca10(PO4)6(OH)2, là muối kép của tri-canxi photphat và canxi hydroxit, trong tự nhiên tồn tại dưới dạng flo-apatit Ca10(PO4)6F2. Nó là thành phần vô cơ chính trong xương và răng người và hiện đang trở thành đối tượng nghiên cứu chính của các nhà khoa học nhằm mục đích cải thiện các tính chất sinh học, hoá học của nó.

Hydroxyapatit (HAp) thường được sử dụng dưới dạng bột để thay thế xương hoặc làm chất phủ lên bề mặt kim loại để tăng khả năng tương thích của vật liệu cấy ghép. Về mặt nhiệt động học, HAp là hợp chất bền nhất ở các điều kiện xác định như nhiệt độ, pH và thành phần vật lý của pha.

Tính chất vật lý:

Hydroxyapatit là một tinh thể màu trắng ngà, sôi ở 2850C và nóng chảy tại 1700C. Ở 250C, khả năng hoà tan trong 100g nước của hydroxyapatit là 7g, tỷ trọng là 3,08 . Về mặt cấu trúc, hydroxyapatit có dạng hình lục phương và thuộc nhóm không gian P63/m với các hằng số mạng a và c lần lượt là 0.942 nm và 0.688 nm. Cấu trúc tinh thể của HAp được tìm ra bởi Naray-Szabo và Meheml và những kết quả của họ sau này đã được Hendricks xác nhận lại. Cấu trúc mạng của HAp bao gồm các ion Ca2+, PO43- và OH và chúng được sắp xếp trong các ô đơn vị như trong hình I.1.

Trong tổng số 14 ion Ca2+ thì có 6 ion thuộc về HAp và nằm trọn vẹn trong ô mạng đơn vị, còn lại 8 ion nằm trên chu vi hai mặt đáy được dùng chung với các ô đơn vị kề bên trong đó định vị ở mỗi ô là 4 ion. Tương tự như thế, trong số 10 nhóm PO43- thì 2 nhóm nằm ở bên trong ô đơn vị còn 8 nhóm thì nằm trên chu vi của hai mặt đáy nhưng chỉ có 6 nhóm thuộc về ô đơn vị. 6 nhóm này bao gồm 2 nhóm ở bên trong ô đơn vị cộng với 4 trong số 8 nhóm nằm trên chu vi của hai mặt đáy. Giống như vậy, chỉ có 2 trong số 8 nhóm OH chỉ ra trong hình là thuộc về ô đơn vị. Số lượng các ion xuất hiện trong ô đơn vị có thể không đúng với công thức phân tử của HAp. Điều này có thể giải thích do sự lặp lại của các ô đơn vị trong hệ đối xứng ba chiều. Với cách giải thích như trên thì trong một phân tử HAp bao gồm có 10 ion Ca2+, 6 nhóm PO43- và 2 nhóm OH, từ đó ta có thể khẳng định HAp có công thức hoá học tỷ lượng là Ca10(PO4)6(OH)2.

Về mặt hình dạng thì các tinh thể HAp thường có dạng hình lá, hình que hoặc hình kim, đôi khi HAp còn có dạng hình vảy. Tuỳ theo các phương pháp tổng hợp khác nhau (như phương pháp kết tủa, phương pháp sol-gel, phương pháp điện hoá) cũng như các điều kiện tổng hợp khác nhau (như thay đổi nhiệt độ phản ứng, pH trước làm già, tốc độ nạp liệu, thời gian già hoá sản phẩm hay môi trường phản ứng…)mà các tinh thể HAp có hình dạng khác nhau như hình que, hình vảy, hình kim, hay hình sợi

Tính chất hoá học

 Về mặt hoá học, HAp có một số tính chất sau đây:

+ Có khả năng kết hợp với cấu trúc xương và tác động tốt đến sự phát triển bên trong của xương mà không làm đứt gãy hay phân hủy xương.

+ Không bền nhiệt, dễ bị phân hủy trong khoảng nhiệt độ 800 ÷ 1200°C. Tuỳ theo tỷ lệ cấu tạo của HA, tạo thành oxyapatit theo phản ứng:

Ca10(PO4)6(OH)2 → Ca10(PO4)6(OH)2-2xOx + xH2O    (0 < x < 1)

Phản ứng này diễn ra dần dần theo thời gian và nhiệt độ tăng dần.

+ Ngoài ra HAp có thể bị phân hủy thành các chất khác trong nhóm canxi phôtphat tùy theo điều kiện. Ví dụ: tạo thành β-TCP hay tetra canxi phôtphat như các phương trình phản ứng dưới đây:

Ca10(PO4)6(OH)2  → 2b – TCP + Ca4P2O9 + H2O

Ca10(PO4)6(OH)2 → 3b – TCP + CaO + H2O

+ Không có tính bền cơ lý đủ để thay thế, cấy ghép hoàn toàn cho những vùng xương phải chịu tải nặng của cơ thể.

HAp thường được sử dụng ở dạng bột hoặc biến thể của bột. Bột HAp rất khó nung kết khối, khi nung dễ bị phân hủy biến đổi thành phần. Nguyên nhân là do HAp phân hủy ở nhiệt độ cao tạo thành các sản phẩm khác trong hệ CaO – P2O5. Để sản xuất khối HAp thành sản phẩm thương mại đòi hỏi phải nung kết ở nhiệt độ cao, thường vào khoảng 1000°C. Sản xuất lớp phủ HAp cũng yêu cầu HAp hình thành ở nhiệt độ cao. Hơn nữa, nếu sản xuất HAp ở nhiệt độ thấp, HAp thu được là HAp dễ bị phân hủy bởi tác dụng của vi sinh vật, không phải HAp có hoạt tính sinh học.

Khi đạt kích thước nano, yếu điểm của HAp được cải thiện đáng kể. Kích thước nano làm mật độ tiếp xúc bề mặt sinh học tăng và phù hợp với kích thước của các khoáng trong xương nên hoạt tính của bột HAp tăng lên. Ngoài ra, việc kết khối vật liệu trở nên dễ dàng hơn rất nhiều: nhiệt độ kết khối có thể giảm từ mấy ngàn độ C xuống còn trên dưới một ngàn độ C. Công nghệ nano có thể tạo nên bước nhảy lớn trong ngành công nghệ cấy ghép, đặc biệt là cấy ghép mô cứng, cấy ghép xương.

Tính chất sinh học

Chúng ta đã biết rằng, xương và răng người chứa canxi và photpho. Ngoài ra, những nguyên tố này tồn tại trong tự nhiên dưới dạng flo-apatit Ca10(PO4)6F2, là một trong các hợp chất khoáng có tên chung là “apatit”. Các apatit là các hợp chất bền hoá, có thành phần tương tự như các chất khoáng trong xương. Tuỳ thuộc vào tỷ lệ Ca/P, pH, sự hiện diện của nước, nhiệt độ và độ tinh khiết của sản phẩm mà ta thu được các pha khác nhau. Nói chung, các vật liệu làm từ canxi photphat có khả năng chống lại sự tấn công của vi khuẩn, sự thay đổi pH và điều kiện dung môi. Tuy nhiên, nhóm vật liệu này có tính bền cơ thấp, diện tích bề mặt riêng nhỏ (2-5 m2/g) và liên kết giữa các tinh thể bền chặt. Trong khi đó, các thành phần khoáng trong xương (kích thước nano) có diện tích bề mặt riêng lớn, được phát triển trong môi trường hữu cơ, liên kết giữa các tinh thể lỏng lẻo. Đặc điểm này tạo ra sự khác nhau về khả năng hấp thụ của chúng.

Tên của một số các khoáng quan trọng cùng công thức phân tử và các hệ số của nó được đưa ra trong bảng 1.

Từ bảng 1 chúng ta thấy có rất nhiều các khoáng apatit khác nhau. Tuy nhiên, chúng ta hoàn toàn có thể thay thế các cation và anion trong các khoáng nói trên để tạo thành các khoáng mới tuỳ thuộc vào các điều kiện thế. Nếu thế 100% sẽ tạo thành các đồng phân mới, còn nếu chỉ thế một phần sẽ tạo dung dịch rắn.

Trong các pha canxi photphat thì pha HAp có khả năng phân huỷ chậm nhất nên các tế bào xương có thời gian để hoàn thiện và phát triển. Điều này dẫn đến khả năng ứng dụng trong y học của HAp là nhiều nhất

Các mô canxi hoá trong cơ thể được chia thành 2 nhóm: mô nội và mô ngoại. Xương, hàm răng và chất nám thuộc mô nội còn men răng thuộc mô ngoại. Hai nhóm này có khả năng hoạt động sinh học và hoá học khác nhau cũng như khác nhau về thành phần và cấu trúc của chúng.

Xương là bộ phận quan trọng nhất của cơ thể. Các đặc trưng sinh học và cấu trúc của xương rất đa dạng. Về mặt sinh học, nó hoạt động như một bể chứa canxi đồng thời là nơi sản sinh ra các tế bào máu. Về mặt cấu trúc, xương tạo khung cho cơ thể. HAp đóng vai trò quan trọng về cả mặt sinh học và cấu trúc của xương.

Khi phân tích thành phần xương người, người ta thấy xương gồm có phần vô cơ và hữu cơ. Phần hữu cơ chiếm khoảng 30% trọng lượng cơ thể, được tạo bởi các collagen, các cement và các thành phần tế bào xốp. Collagen là một mạng lưới các màng liên kết nội và một ma trận các tế bào mở rộng của xương nhằm thu hút các khoáng chất phát triển trên bề mặt làm cho xương cứng cáp hơn, trong khi đó cement chứa một vài liên kết nội với protêin. Ngược lại, các tế bào xốp bao gồm các tế bào vô định hình như osteoblast và osteocyt, là những chất liên quan đến việc gãy và lành xương. Phần vô cơ cuả xương gồm có pha tinh thể và pha vô định hình, được tạo thành từ tri-canxi photphat (HAp). Pha vô định hình có nhiều hơn ở thanh niên và bị chuyển hoá một phần thành pha tinh thể theo thời gian. Khoảng 40% trọng lượng xương của thanh niên được tìm thấy là HAp. Pha khoáng trong xương được đặt trong màng collagen có dạng hình kim hoặc hình vảy có chiều dài từ 10-60 nm, rộng khoảng 2-6 nm. Ngoài ra, xương chứa khoảng 20% trọng lượng là nước, có mặt hầu hết trong các mảng hữu cơ và có dưới dạng vết trong tinh thể HAp.

Răng chứa phần ngoài là chân răng, nướu răng (được bao bọc bởi lợi) và đầu răng vừa khít với các hốc của hàm răng. Các mô chính của răng là men răng, hàm răng và chất nám. Chân răng thường bị bao phủ bởi men răng, thường nằm ở mép răng và tồn tại dưới dạng mảng bám trên răng. Chất nám giúp cố định răng trong hốc. Giống như xương, răng được tạo bởi cả phần vô cơ và phần hữu cơ. HAp với các ion như Mg2+ và CO32- là các thành phần vô cơ chính. Phần trăm trọng lượng của nó trong men răng, hàm răng và chất nám tương ứng là 95, 75 và 35%.

Không giống như các mô canxi hoá khác có hệ số cân bằng n với chất lưu trong cơ thể, men răng cân bằng với nước bọt và do vậy sẽ tạo ra các chất phòng các bệnh về răng miệng, tránh bị sâu răng do vi khuẩn tấn công.

Răng thường cứng hơn xương là nhờ kích thước của tinh thể HAp tương đối to hơn so với trong xương. Chiều dài, rộng và độ dày trung bình của nó tương ứng là 60, 100 và 35nm. Chủ yếu trong các mô này là các đám  tinh thể HAp dày đặc có dạng hình que hoặc hình lăng trụ. Tuy nhiên, xương, bể chứa khoáng của cơ thể, hoạt động hoá học và sinh học hơn so với men răng, men chỉ nhằm bảo vệ các lớp bên trong của răng.

Thành phần các chất trong xương (% về khối lượng) được thể hiện trong bảng dưới

Các phương pháp tổng hợp HAp

Để điều chế HAp có thể chọn nhiều loại nguyên liệu khác nhau: từ Ca(OH)2 và H3PO4 hay các nguyên liệu khác có Ca2+ (ví dụ như CaHPO4, CaCO3…)và PO43- (ví dụ như Ca3(PO4)3…) trong môi trường kiềm (OH). Có bốn phương pháp thường được dùng để tổng hợp HAp, đó là: phương pháp ướt, phương pháp khô, phương pháp thủy nhiệt, và phương pháp điện hoá

Phương pháp khô

Đây là phương pháp tổng hợp HAp  trên cơ sở thực hiện phản ứng pha rắn. Tromel và cộng sự  đã nghiên cứu điều kiện tốt nhất để hình thành lên trạng thái rắn của HAp đó là phản ứng giữa Ca3(PO4)2 với Ca4P2O9 hoặc giữa Ca3(PO4)2 với CaO. Trong các hỗn hợp trên, các chất được trộn theo tỷ lệ mol Ca/P = 5/3, HAp được tạo thành sau khi nung ở 1050 °C trong vài giờ đồng hồ theo phản ứng sau:

2 Ca3(PO4)2 + Ca4P2O9 + H2O = Ca10(PO4)6(OH)2

3 Ca3(PO4)2 + CaO + H2O = Ca10(PO4)6(OH)2

Có nhiều tác giả  cũng đã sử dụng phản ứng pha rắn để điều chế HAp. Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là cần thực hiện phản ứng ở nhiệt độ cao, thời gian phản ứng lâu, khó điều chỉnh được chất lượng của sản phẩm.

Phương pháp thủy nhiệt

Phương pháp thủy nhiệt là phương pháp mà các phản ứng được thực hiện ở nhiệt độ cao và áp suất cao. Phương pháp này cho ta sản phẩm có độ tinh khiết và độ kết tinh cao,  và hiện được sử dụng rộng rãi để tổng hợp HAp. Tuy nhiên, điểm bất lợi của phương pháp này là dụng cụ khá phức tạp, để tổng hợp một lương lớn mẫu thì rất khó khăn.

Phương pháp ướt

Đây là phương pháp tổng hợp HAp từ pha lỏng, bao gồm các phương pháp như: kết tủa, đồng kết tủa, sol – gel hay kết tinh từ dung dịch bão hòa. Các phương pháp này cho ta lượng mẫu lớn.

Phương pháp điện hoá

Như chúng ta đã biết, khi thay thế các phần xương bị gãy hoặc hỏng người ta thường sử dụng các kim loại như Ti, thép không gỉ hay các hợp kim của chúng để thay thế. Mặc dù các kim loại này có độ bền và tính cứng cao nhưng chúng nhanh chóng bị ăn mòn theo thời gian và đặc biệt là các mô tế bào không có khả năng phát triển trên các kim loại này. Điều này khiến cho các bệnh nhân luôn cảm thấy đau đớn và khó chịu với “vật thể lạ” này. Vì vậy các nhà khoa học đã nỗ lực tìm kiếm các dạng vật liệu mới để tăng cường sức khoẻ cho con ngưòi. Trong các nghiên cứu của mình, họ thấy rằng HAp dưới dạng màng, khi phủ lên trên các bề mặt kim loại này, các mô tế bào hoàn toàn có khả năng phát triển được và ít bị ăn mòn . Họ đã nghiên cứu các phương pháp khác nhau để tạo màng phủ với sự phân bố HAp đồng đều trên bề mặt kim loại. Phương pháp điện hoá (EPD) là phương pháp thông dụng nhất hay được sử dụng. Ưu điểm của phương pháp này là dễ dàng điều khiển quá trình, có thể tạo được các màng có độ dày mỏng như mong muốn và đặc biệt là màng có khả năng bám dính tốt trên bề mặt kim loại. Vì vậy, trong công nghệ tạo màng y sinh, EPD là phương pháp tối ưu nhất

Kênh dẫn vi lưu (Microfluidic)

Microfluidic (kênh dẫn vi lưu) là một lĩnh vực mới thú vị của khoa học và kỹ thuật cho phép phân tích kiểm soát trên quy mô rất nhỏ và thiết bị nhỏ gọn, tiết kiệm chi phí, hiệu quả hơn hệ thống thông thường khác. Chúng có khả năng đáp ứng nhu cầu của các phản ứng tốc độ nhanh bằng cách giảm kích thước các kênh dòng chảy và các không gian phản ứng, qua đó giảm không gian khuếch tán. Công nghệ vi lưu ứng dụng trong rất nhiều ngành: Kỹ thuật, Vật lý, Hóa học, Công nghệ vi chế tạo và Công nghệ sinh học. Công nghệ này đang từng bước trở thành  công nghệ mũi nhọn cho phép chế tạo những vi hệ thống sử dụng những vi thể tích chất lỏng, (còn được biết đến với cái tên “phòng thí nghiệm siêu nhỏ tích hợp trên một con chip” lab-on-chip). Hệ thống vi lưu bao gồm hệ phức hợp như bơm, khoang chứa, khoang trộn, các van đóng mở có khả năng được điều khiển … Hệ thống này có thể được sử dụng cho một loạt ứng dụng như dẫn thuốc, in ấn và đặc biệt là ứng dụng trong lĩnh vực sinh học phân tử như phân tích enzyme, phân tích DNA và proteomic.

Một thiết bị vi lưu có thể có một hoặc nhiều kênh với ít nhất một kích thước nhỏ hơn 1 mm. Chất lỏng thường được sử dụng trong các thiết bị vi lưu bao gồm toàn bộ mẫu máu, tế bào vi khuẩn, protein, DNA, hóa chất dùng cho các phản ứng sinh hóa…

Việc điều khiển dòng chảy của chất lỏng ở những kích thước siêu nhỏ phụ thuộc nhiều yếu tố khác nhau như: Sức căng bề mặt của chất lỏng, sự mất mát năng lượng, sức cản chất lỏng…

Những nghiên cứu trong công nghệ sinh học thường đòi hỏi một số lượng khá lớn những trang thiết bị và phòng thí nghiệm, cụ thể là những phân tích DNA, những nghiên cứu về các loại thuốc, những trang thiết bị thu thập thông tin về người bệnh như film chụp X-quang, cắt lớp… Hầu hết những quá trình nêu trên đều đòi hỏi phải khống chế và điều khiển được dòng chảy của chất lỏng. Nhu cầu sử dụng thường xuyên và liên tục đòi hỏi những thiết bị này phải nhỏ gọn, tiện dụng và có thế mang ra khỏi các phòng thí nghiệm. Chính vì lẽ đó mà xu hướng “càng nhỏ càng tốt” đang dần biến đổi “thế giới lỏng” theo một cuộc cách mạng tương tự như cuộc cách mạng về công nghiệp điện tử khi transistor ra đời. Trên thực tế có rất nhiều những nghiên cứu, những ứng dụng trong công nghệ sinh học cần phải thao tác với dòng chảy của chất lỏng trong những kênh dẫn rất nhỏ, lĩnh vực này được gọi tên là vi lưu. Lĩnh vực này đòi hỏi sự nghiên cứu tổng hợp ba vấn đề: nghiên cứu phương pháp mới nhằm chế tạo ra những hệ thống điều khiển chất lỏng, nghiên cứu những phương pháp tích hợp những chức năng phức tạp của chất lỏng vào trong một thiết bị, và nghiên cứu về cách thức, đặc điểm của chất lỏng khi nó chảy trong những kênh dẫn siêu nhỏ. Sự phát triển của công nghệ vi lưu đang góp phần tạo ra những phương pháp thí nghiệm mới trong ngành sinh học cơ bản, ngành khoa học vật liệu và hóa lý.

Các hệ thống vi lưu gồm rất nhiều loại khác nhau tương ứng với nhiều ứng dụng khác nhau như: những ứng dụng trong ngành công nghiệp in phun, trong pin nhiên liệu lỏng, nghiên cứu hóa sinh, tổng hợp hóa chất, tách chiết DNA ra khỏi tế bào, phân tích di truyền, phân tích PCR (Polymerase Chain Reaction – Phản ứng chuỗi trùng hợp), bào chế thuốc.v.v…

Mọi hệ thống vi lưu đều được cấu thành từ những thành phần cơ bản như: máy bơm, van, bộ trộn, bộ lọc, bộ chia… Trong ngành vi điện tử, kích thước của linh kiện không làm ảnh hưởng đến tính năng của linh kiện, nhưng trong công nghệ vi lưu dòng chảy trong thể tích nhỏ khác khá nhiều so với dòng chảy trong thể tích lớn hơn, điều này có thể quan sát thấy trong thực tế đời sống. Cụ thể hơn nữa khi các thiết bị vi lỏng điều khiển các dòng chảy trong những thể tích chỉ cỡ microlit hoặc nhỏ hơn đến cỡ picolit thì sự khác biệt trên lại trở nên cực kỳ rõ ràng. Những thiết bị phần cứng của các thiết bị vi lưu đòi hỏi phương pháp thiết kế và chế tạo rất khác so với những thiết bị siêu nhỏ khác. Khi kích thước của một thiết bị hay một hệ thống vi lưu được làm nhỏ hơn thì cách thức hoạt động của chất lỏng đột ngột thay đổi. Những hiệu ứng không đáng kể trong quy mô lớn cũng trở nên vượt trội hơn, rõ rệt hơn trong quy mô rất nhỏ. Đó chính là hiện tượng mao dẫn sẽ xuất hiện khi chất lỏng chảy trong những ống có tiết diệt nhỏ hơn 1mm, nhưng hiện tượng này lại không xuất hiện khi chất lỏng chảy trong những ống có thiết diện rất lớn.

Trong thời kỳ khủng hoảng về nhiên liệu của thế giới thì việc  nghiên cứu và phát triển ngành công nghệ vi lưu đang trở nên có ý nghĩa hơn. Các hệ thống vi lưu thường có kích thước rất nhỏ, việc chế tạo ra chúng sử dụng ít nhiên liệu hơn, rẻ hơn và rất dễ dàng chế tạo hàng loạt. Thêm nữa là các kênh dẫn trong thiết bị vi lưu chỉ có thể tích vài nanolit, các mẫu thử cũng trở nên rất nhỏ, lượng thuốc thử sử dụng cũng rất ít, do đó mà việc phân tích các kết quả thí nghiệm cũng trở nên dễ dàng hơn, tiết kiệm nguyên liệu hơn.

Đến đây chúng ta có thể thấy được sự tương đồng giữa ngành công nghệ vi điện tử và công nghệ vi lưu, đó là cố gắng tích hợp nhiều thiết bị, nhiều chức năng chỉ trên một con chip. Trong tương lai chúng ta hoàn toàn có thể tin tưởng khả năng các thiết bị nghiên cứu phân tích có thể được tích hợp trên một thiết bị cầm tay. Cũng không có gì phải ngạc nhiên khi trong tương lai ngành công nghệ vi lưu sẽ tạo ra những bước tiến nhảy vọt cho các ngành khoa học khác, đặc biệt là lĩnh vực y sinh.

 

Cảm biến sinh học điện hóa (Electrochemical Biosensors)

Cảm biến sinh học đo tín hiệu điện hóa (electrochemical biosensors) đang là hướng nghiên cứu trọng điểm của nhiều nhóm khoa học trong và ngoài nước. Với sự phát triển của công nghệ vi điện tử, công nghệ nano và các loại vật liệu mới, khả năng chế tạo và ứng dụng cảm biến sinh học ngày một hiện thực hơn, phương pháp không đòi hỏi nhiều hóa chất, dung môi; chỉ cần lượng mẫu phân tích nhỏ, có khả năng phân tích nhanh theo thời gian thực, thiết bị nhỏ gọn, sử dụng đơn giản…

Công bố đầu tiên trên thế giới về cảm biến sinh học được hai tác giả Clark và Lyons công bố và năm 1962 (Leland C. Clark Jr., C.L. (1962), Electrode systems for continuous monitoring in cardiovascular surgery. Annals of the New York Academy of Sciences, 102(Automated and Semi-Automated Systems in Clinical Chemistry): p. 29-45.)

Theo hiệp hội quốc tế về hoá học ứng dụng – IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) năm 1999 đã định nghĩa: Cảm biến sinh học (biosensor) là một thiết bị tích hợp có khả năng cung cấp thông tin phân tích định lượng hoặc bán định lượng đặc trưng, bao gồm phần tử nhận biết sinh học (bioreceptor) kết hợp trực tiếp với một phần tử chuyển đổi (transducer).

Như vậy có thể hiểu cảm biến sinh học là thiết bị phân tích gồm hai thành phần chính: phần tử nhận biết sinh học và bộ phận chuyển đổi tín hiệu. Phần tử nhận biết sinh học được cố định trực tiếp hoặc gián tiếp trên bộ  chuyển đổi tín hiệu. Nó là một loại vật liệu sinh học có thể liên kết hoặc phản ứng với cơ chất (chất cần phân tích) sinh ra sản phẩm làm thay đổi tín hiệu sinh hoá trong quá trình phân tích.

Đầu thu sinh học (Bioreceptor) là những chất có khả năng phản ứng trực tiếp với các tác nhân cần phát hiện và có nguồn gốc từ các thành phần sinh học. Có thể phân loại cảm biến sinh học theo loại đầu thu sinh học đó là cảm biến enzyme (enzyme sensor); cảm biến ADN (DNA sensor); cảm biến miễn dịch (immunosensor)

Tác nhân cố định (Recognition): là một phần rất quan trọng trong cảm biến sinh học. Các tác nhân này có nhiệm vụ gắn kết các đầu thu sinh học lên trên đế. Nói một cách khác đây là bộ phận trung gian có tác dụng liên kết các thành phần sinh học (có nguồn gốc từ cơ thể sống) với thành phần vô cơ. Những tác nhân này vừa phải đảm bảo độ bền cơ học, vừa phải đảm bảo khả năng chuyền tải tín hiệu giữa bộ phận sinh học và bộ phận chuyển đổi. Việc nghiên cứu lựa chọn những tác nhân cố định thích hợp giúp nâng cao độ nhạy, độ ổn định cho cảm biến sinh học

Bộ phận chuyển đổi (Transducer): Có nhiều dạng chuyển đổi như chuyển đổi điện hoá, chuyển đổi quang, chuyển đổi nhiệt, chuyển đổi bằng tinh thể áp điện hoặc chuyển đổi bằng các hệ vi cơ… Trong đó, chuyển đổi theo nguyên lý điện hoá có nhiều ưu điểm như chế tạo đơn giản, có độ nhạy và độ chính xác cao phù hợp trong chế tạo cảm biến sinh học ứng dụng phân tích nhanh.

Có nhiều phương pháp để đo tín hiệu điện hóa khi có sự tương tác giữa đầu thu sinh học và chất cần phân tích như phương pháp đo dòng, phương pháp đo thế, phươgn pháp đo độ dẫn, phương pháp đo phổ tổng trở.

Với một số PTN trọng điểm được đầu tư tập trung hiện nay, tại Việt nam đã có thể chế tạo được các vi cảm biến có kích thước cỡ micro ứng dụng làm cảm biến sinh học. Bằng kỹ thuật MEMS các điện cực được chế tạo trên nền Si.SiO2 và bốc bay Pt tạo thành các linh kiện có cấu trúc nhỏ gọn, đồng đều, ổn định.

Tại ĐHBKHN tập trung phát triển hệ điện cực cấu trúc răng lược, FET để chế tạo các cảm biến AND như xác định virus viêm não Nhật Bản, virus cúm A….

Tại Viện KH&CNVN nhóm nghiên cứu phát triển hệ vi cảm biến tích hợp, cảm biến chuỗi (array) để chế tạo các cảm biến ezyme xác định nhanh cholesterol trong huyết thanh và cảm biễn miễn dịch xác định sớm ung thư cổ tử cung, HIV, độc chất aflatoxin trong sảm phẩm sữa …

 

Vật liệu nhớ hình từ

Hợp kim nhớ hình từ là một dạng của vật liệu thông minh. Dưới tác dụng của từ trường ngoài, về mặt lý thuyết, các hợp kim này có thể thay đổi kích thước lên tới 10%. Với tính chất đặc biệt này, hệ vật liệu nhớ hình từ (MSM) có rất nhiều tiềm năng ứng dụng trong kỹ thuật. Tương tác của cặp cấu trúc từ trong hiệu ứng MSM là một hiện tượng thú vị đối với các nhà khoa học.

yếu tố chính dẫn đến hiệu ứng MSM là sự chuyển pha cấu trúc của vật liệu từ. Đây chính là cơ sở để tìm kiếm và nghiên cứu các hệ vật liệu MSM. Mn đóng góp chủ yếu vào tính chất từ của trong các hợp kim chứa Mn. Sự tồn tại của các pha khác nhau là do hiệu ứng dải Jahn-Teller trong dải năng lượng của Ni. Sự chuyể pha cấu trúc trong hệ vật liệu Ni2MnGa đã được điều khiển bởi sự dao động entropy tại các nhiệt độ khác nhau.

Tính chất từ then trốt trong MSM là năng lượng dị hướng từ. Với cấu trúc lục giác (c/a = 0,94 của Ni2MnGa) đơn trục từ được đặc trưng bởi hằng số dị hướng bậc nhất. Với sự có mặt của một vài cặp biến thể thì chỉ có hằng số dị hướng bậc hai được quan sát từ thực nghiệm. Ni là nguyên tố chủ yếu đóng góp vào năng lượng dị hướng từ. Đối với hệ Ni2MnGa thì các trục ngắn nhất là trục dễ. Ni là nguyên tố quan trọng quyết định nhiệt độ Curie của hệ mặc dù nó có mô men từ nhỏ hơn Mn.

Hiệu ứng nhớ hình từ (MSM)

Từ giảo là hiện tượng một vật thay đổi kích thước của nó theo từ trường ngoài đặt vào. Tuy nhiên sự biến thể kích thước này rất nhỏ 0,1% với Terfenol-D. Hiệu ứng MSM có cơ chế khác hoàn toàn với từ giảo. với MSM độ thay đổi kích thước có thể lên tới 10%. Hiện tượng từ giảo chỉ được quan sát thấy ở các vật liệu đồng nhất. MSM đòi hỏi vi cấu trúc của vật liệu có sự chuyển pha martensitic. Đây là hiện tượng chuyển từ pha có tính đối xứng cao sang pha có tính đối xứng thấp khi làm lạnh. Với Ni2MnGa pha có tính đối xứng cao là austenite với cấu trúc tinh thể dạng lập phương, pha có tính đối xứng thấp là martensite với cấu trúc tinh thể  dạng tứ giác hoặc lục giác. Cặp song tinh (twin) là phương pháp phổ biến để tạo ra dạng vi cấu trúc đặc biệt này. Các đô men của cấu trúc song tinh này có biên rất rõ nét. Các biên này có tính linh động rất cao. Chính vì lý do này mà vật liệu dễ dàng biến đổi hình dạng.

Các vật liệu có mô men từ tự phát như sắt từ, phản sắt từ, phe rít từ có mô men từ tự phát và thường nằm theo trục dễ của tinh thể. Với cấu trúc song tinh thì mô men từ định hướng khác nhau ở hai phần của cặp song tinh này. Khi có từ trường ngoài đặt vào thì các mô men từ tự phát có xu hướng nằm theo hướng của từ trường ngoài. Nếu năng lượng dị hướng từ đủ lớn thì tinh thể sẽ quay theo hướng từ trường ngoài như được mô tả trong hình dưới đây

Như vậy các yếu tố cần thiết để vật liệu thể hiện hiệu ứng MSM là:

– Vật liệu phải có mô men từ tự phát (sắt từ) và có sự chuyển pha martensite.

– Năng lượng dị hướng từ phải lớn hơn năng lượng cần thiết dịch chuyển vách của cặp song tinh.

Một dạng của vi cấu trúc martensite mà người ta đã tạo ra được gồm ba vùng biến thể

Hai vùng biến thể kế tiếp nhau được ngăn cách bởi mặt phân cách khá rõ ràng và được gọi là mặt phẳng song tinh (twin plane). Mỗi vùng biến thể có một định hướng duy nhất và thường được gọi là trục c. Về cơ bản pha martensitic là trạng thái đa tinh thể bao gồm ba phần có thể tích biến thể được

Các kết quả nghiên cứu cho thấy tác động của từ trường ngoài lên pha martensitic gây ra các hiệu ứng: dịch chuyển vách đô men, tạo các mầm biến thể, chuyển động của các biên song tinh, quay véc tơ từ độ. Năng lượng truyền động cho các quá trình này thường làm giảm năng lượng từ trường ngoài đặt vào. Đây chính là gợi ý cho các phép đo từ cơ và hiệu ứng MSM. Với Ni2MnGa, sự tạo mầm biến thể và sắp xếp lại các vùng biến thể là hai cơ chế chủ yếu làm giảm năng lượng từ trường ngoài hơn là quay véc tơ từ độ. Vì vậy MSM là hiệu ứng chính khi đặt từ trường ngoài vào vật liệu. Mặc dù các hiệu ứng kia không có quan hệ gì với dị hướng tinh thể, nhưng sự suất hiện của chúng cũng làm thay đổi đáng kể độ dốc của đường cong từ hóa và vì vậy cũng ảnh hưởng đến tính dị hướng

Ảnh hưởng của ứng suất ngoài.

Ứng suất ngoài cũng làm biến dạng vật liệu tương tự như từ trường. Hình (I.5) mô tả tác động của ứng suất nén lên mạng tinh thể hai chiều của vật liệu. Sự biến dạng của vật liệu là do các lớp nguyên tử trượt dọc theo hướng của ứng suất ngoài. Kết quả là tinh thể có định hướng ưu tiên theo ứng suất ngoài

Khi FSMA ,với cấu trúc ưu tiên theo từ trường và từ trường ngoài đặt vào bằng không, chịu một ứng suất nén (>3 Mpa) thì các biên song tinh sẽ dịch chuyển và tạo ra cấu trúc ưu tiên theo ứng suất. Độ lớn của biến dạng khoảng 6%. Để phục hồi lại hình dạng ban đầu (cấu trúc ưu tiên theo từ trường) thì cần phải đặt từ trường khoảng (2-3 kOe). Và đây chính là hiệu ứng MSM.

Giải sử ứng suất ngoài đặt dọc theo trục biến thể của vật liệu khi có từ trường ngoài đặt vào. Trong trường hợp này từ trường ngoài sẽ phải thắng năng lượng đàn hồi do ứng suất ngoài đặt vào vật liệu sau đó mới gây ra sự chuyển động của các biên song tinh. Nếu tăng dần ứng suất thì năng lượng từ cần thiết để tạo ra hiệu ứng MSM cũng tăng tỷ lệ thuận theo. Trong trường hợp năng lượng đàn hồi do ứng suất ngoài cung cấp lớn hơn năng lượng dị hướng từ của vật liệu, nếu ta tăng năng lượng từ trường ngoài đạt đến giá trị bằng năng lượng dị hướng thì vật liệu sẽ bị từ hóa theo hướng từ trường ngoài và không có sự dịch chuyển vách song tinh. 

Một cách khác để mô tả hiệu ứng MSM là thông qua đường cong ứng suất – biến dạng. Với từ trường ngoài bằng không, vật liệu NiMnGa chịu một ứng suất kéo dọc theo trục biến dạng

Tại vùng 1, vật liệu biến dạng đàn hồi. Độ biến dạng tăng tuyến tính theo ứng suất. Khi ứng suất đạt tới giá trị giới hạn σs các biên song tinh trở nên linh động. Vì biên song tinh dễ dàng chuyển động cùng với biến dạng đàn hồi nên độ dốc của đường cong tại vùng 2 là khá nhỏ. Khi kết thúc vùng 2 (σf ) độ dốc lại tăng lên và vật liệu tiếp tục biến dạng đàn hồi tại vùng 3. Khi ứng suất đạt tới giá trị tới hạn thì vật liệu bắt đầu biến dạng dẻo. Biến dạng tại vùng 4 vật liệu không thể khôi phục lại hình dạng ban đầu bằng chuyển động của các vách song tinh.

Hình dưới đây mô tả vật liệu chịu ứng suất nén dọc theo trục biến dạng khi từ trường đặt vào bằng không.

Ban đầu vật liệu có cấu trúc ưu tiên theo từ trường. Như trường hợp trên, tại vùng 1 độ biến dạng tăng tuyến tính theo ứng suất (biến dạng đàn hồi). Vùng 2 là quá trình vật liệu chuyển sang cấu trúc ưu tiên theo ứng suất. Vùng 3 tiếp tục là quá trình biến thể đàn hồi của vật liệu. Nếu ứng suất được bỏ đi ở vùng 3 thì vật liệu sẽ khôi phục lại một ít hình dạng ban đầu thông qua biến dạng đàn hồi. Tuy nhiên vật liệu vẫn còn giữ lại một biến dạng lớn ( khoảng 6%). Để vật liệu khôi phục lại hình dạng ban đầu cần đặt từ trường (> 2 kOe) vào vật liệu

 

Diesel và Biodiesel

Diesel

Hiện nay trên thế giới có xu hướng diesel hóa động cơ. Chính vì vậy nhiên liệu diesel sẽ được sử dụng nhiều hơn nhiên liệu xăng. Sử dụng diesel có nhiều ưu điểm hơn động cơ xăng. Vì động cơ xăng có tỷ số nén thấp hơn động cơ diesel nên công suất nhỏ hơn khi sử dụng cùng một lượng nhiên liệu. Mặt khác nhiên liệu diesel có giá thành thấp hơn xăng do quy trình chế biến đơn giản. Thêm vào đó, nguồn cung cấp, lượng nhiên liệu diesel nhiều và đa dạng hơn.

Thành phần hóa học của nhiên liệu diesel:

Quá trình chưng cất dầu mỏ các phân đoạn, ta thu được phân đoạn dầu diesel có nhiệt độ sôi 250 – 350 0C có chứa hydrocacbon với số nguyên tử cacbon từ C16 – C22.

Chủ yếu trong phân đoạn này là n-parafin còn hydrocacbon thơm chiếm không nhiều.Nhưng n-paraffin mạch dài có nhiệt độ kết tinh cao, chúng làm mất ổn định của phân đoạn ở nhiệt độ thấp. Ở phân đoạn diesel thì ngoài naphten và thơm hai vòng là chủ yếu, các hợp chất ba vòng bắt đầu tăng lên. Đã bắt đầu xuất hiện các hợp chất có cấu trúc hỗn hợp giữa naphten và thơm.

Hàm lượng các hợp chất chứa S,N và O bắt đầu tăng nhanh. Các hợp chất của lưu huỳnh chủ yếu ở dạng dị vòng disulfur. Những hợp chất chứa oxy dạng axit naphtenic có nhiều và đạt cực đại ở phân đoạn này. Ngoài ra còn có những chất dạng phenol như dimetylphenol. Cũng xuất hiện nhựa nhưng còn ít và trọng lượng phân tử cũng thấp, chỉ vào khoảng 300 – 400 đ.v.C.

Yêu cầu chất lượng của nhiên liệu diesel

Muốn động cơ diesel làm việc ổn định thì nhiên liệu diesel phải đảm bảo các chỉ tiêu chất lượng sau:

a) Có khả năng tạo hỗn hợp cháy tốt: Khả năng bay hơi tốt và phun trộn tốt đánh giá qua thành phần phân đoạn, tỷ trọng, độ nhớt và sức căng bề mặt.

– Thành phần chưng cất phân đoạn : Có ảnh hưởng lớn đến tính năng của động cơ diesel,đặc biệt là các động cơ tốc độ trung bình và tốc độ cao, đồng thời ảnh hưởng đến độ an toàn. Thành phần cất được xác định theo tiêu chuẩn ASTM D86. Nhiệt độ sôi 10% đặc trưng cho phần nhẹ dễ bay hơi của nhiên liệu. Nhiệt độ này cao qua sẽ làm cho động cơ khó khởi động. Nhiệt độ sôi 50% thì chỉ tiêu hay dùng nhất để đánh giá nhiên liệu diesel, nó đặc trưng cho khả năng thay đổi tốc độ của động cơ. Nhiệt độ sôi 90%và nhiệt độ sôi cuối đặc trưng cho khả năng cháy hoàn toàn của nhiên liệu.

– Tỷ trọng: Là đại lượng đặc trưng cho độ nặng hay nhẹ của nhiên liệu, là tỷ số giữa trọng lượng riêng của một vật ở một nhiệt độ nhất định và trọng lượng riêng của vật khác được chọn làm chuẩn xác định ở cùng vị trí. Đối với các sản phẩm lỏng ta lấy nước cất ở 40C với áp suất 760 mmHg làm chất chuẩn.

– Độ nhớt động học: Là thông số rất quan trọng vì nó cho biết khả năng phun trộn nhiên liệu vào buồng đốt. Độ nhớt của nhiên liệu có ảnh hưởng đến kích thướt và hình dạng của kim phun. Độ nhớt động học được xác định ở 400C theo phương pháp ASTM D445.

b)Phải có khả năng tự bốc cháy phù hợp: Khả năng này được đánh giá qua trị số xetan. Trị số xetan là một đơn vị quy ước đặc trưng cho khả năng tự bốc cháy của nhiên liệu diesel, nó được đo bằng phần trăm thể tích n- xetan có trong hỗn hợp của nó với các metyl naphen và có khả năng tự bốc cháy tương đương khả năng tự bốc cháy của nhiên liệu thí nghiệm ở điều kiện tiêu chuẩn. Hỗn hợp chuẩn bao gồm hai hydrocacbon là n-xetan (C16H34) có khả năng tực bốc cháy tốt với trị số xetan quy định là 100 và các metyl naphtalen ( C11H10 ) có khả năng tự bốc cháy kém với trị số xetan quy định là 0. Trị số xetan được xác định theo tiêu chuẩn ASTM D613. Trị số xetan cao quá hoặc thấp quá đều gây nên những vấn đề không tốt cho động cơ.

c) Ít tạo cặn: Yêu cầu này phụ thuộc vào thành phần phân đoạn, độ axit, hàm lượng lưu huỳnh, độ ăn mòn lá động và hàm lượng mercaptan xác định theo ASTM D2500..

– Hàm lượng lưu huỳnh: Trong nhiên liệu diesel, lưu huỳnh tồn tại ở nhiều dạng khác nhau như mercapta, sulphat, thiophen…Các hợp chất của lưu huỳnh trong diesel đều là những chất độc hại. Khống chế hàm lượng lưu huỳnh càng thấp thì càng tốt. Hàm lượng lưu huỳnh được xác định theo tiêu chuẩn ASTM D129.

– Độ ăn mòn lá đồng: Xác định định tính độ ăn mòn của nhiên liệu diesel đối với các chi tiết chế tạo tự động và được xác định theo phương pháp ASTM D130.

– Hàm lượng tro: Là lượng tro còn sót lại sau khi đốt diesel đến cháy hết, được tính bằng phần trăm khối lượng so với lượng mẫu ban đầu. Nói chung hàm lượng tro càng thấp càng tốt và được quy định ở dưới mức giới hạn cho phép. Hàm lượng tro được xác định theo tiêu chuẩn ASTM D482 ( hoặc TCVN 2690 – 1995 ).

d) An toàn về cháy nổ và không gây ô nhiễm môi trường: Được đánh giá qua nhiệt độ chớp cháy. Nhiệt độ chớp cháy là nhiệt độ thấp nhất ở điều kiện thường mẫu nhiên liệu thí nghiệm bắt cháy ngay khi ngọn lửa xuất hiện và tự lan truyền một cách nhanh chóng trên toàn bộ bề mặt mẫu. Nhiệt độ chớp cháy cốc kín được xác định theo ASTM D93.

e) Tính lưu biến tốt : Để đảm bảo cấp nhiên liệu liên tục. Yêu cầu này được đánh giá bằng nhiệt độ đông đặc, nhiệt độ vẩn đục, tạp chất cơ học, hàm lượng nước và hàm lượng nhựa.

Nhiệt độ đông dặc: Là nhiệt độ thấp nhất mà tại đó nhiên liệu vẫn giữ được tính chất của chất lỏng. Nhiệt độ đông dặc được xác định theo ASTM D97.

Nước và tạp chất cơ học: Là một trong những chỉ tiêu quan trọng của nhiên liệu diesel, có ảnh hưởng đến chất lượng, sức chứa và khả năng sử dụng. Nước và tạp chất trong diesel được xác định theo ASTM D1796.

Hàm lượng nhựa thực tế: Sau khi ra khỏi nhà máy lọc dầu, nhiên liệu không thể tránh khỏi việc tiếp xúc với không khí và nước nên dễ dàng tạo nhựa và cặn bẩn gây tắc bầu lọc, làm bẩn buồng đốt và tắc hệ thống phun nhiên liệu. Hàm lượng nhựa phải được quy định dưới giới hạn cho phép và được xác định theo phương pháp ASTM D381.

Điểm sương: Đây là một chỉ tiêu quan trọng, nó cho biết nhiệt độ tại đó các tinh thể sắp xuất hiện trong nhiên liệu ở điều kiện thí nghiệm xác định. Điểm sương được xác định theo ASTM.

Ít ăn mòn và có khả năng bảo vệ: Được đánh giá qua trị số axit, hàm lượng lưu huỳnh, độ ăn mòn lá đồng và hàm lượng mercaoten. Trị số axit được xác định theo phương pháp ASTM D 974 ( hoặc TCVN 2695 – 1997). Trị số axit là thước đo đánh giá hàm lượng các chất vô cơ và axit tổng cộng của nhiên liệu. Nó giúp đánh giá mức độ ăn mòn của các chi tiết kim loại khi tiếp xúc với nhiên liệu. Để đảm bảo cho động cơ hoạt động  hiệu quả thì nhiên liệu diesel phải có những tính chất phù hợp với yêu cầu của động cơ.

Khí thải của nhiên liệu diesel

Nhiên liệu diesel chủ yếu được lấy từ hai nguồn chính là chưng cất trực tiếp dầu mỏ và quá trình cracking xúc tác. Thông thường bao giờ diesel cũng chứa các hợp chất của lưu huỳnh, nitơ và các chất nhựa và asphalten. Những chất này không những gây hại cho động cơ mà còn gây ô nhiễm môi trường rất mạnh. Trong tình hình chung là ngày càng sử dụng rộng rãi động cơ diesel thì sự ô nhiễm càng mạnh. Khí thải thường chứa chủ yếu là SO2, NO, NO2, CO, hơi hydrocacbon, mụi cacbon…Đây là những chất rất độc hại. Khí SO2 ngoài việc gây bệnh cho phổi thì gặp nước thì sẽ tạo thành axit và nó chính là nguyên nhân hàng đầu của những trận mưa axit trên khắp thế giới.

Khí CO2 là nguyên nhân gây ra hiệu ứng nhà kính làm trái đất nóng kéo theo biết bao thiên tai bão gió lụt lội. Khí CO sinh ra khi nhiên liệu cháy không hoàn toàn, nó là chất khí không màu không mùi không vị nhưng là chất khí độc đối với con người. Lượng CO khoảng 70 ppm là có thể gây ra triệu chứng đau đầu, mệt mỏi , buồn nôn. Đến 150 – 200 ppm sẽ gây bất tỉnh, mất trí nhớ và có thể chết người.

Các thành phần hydrocacbon trong khí thải nhiên liệu diesel đặc biệt là các hợp chất thơm cũng rất có hại cho con người và là nguyên nhân của nhiều căn bệnh như ung thư, hen suyễn, dị ứng…Các chất muội phân tán cũng gây ô nhiễm mạnh, chúng rất khó nhận biết và là nguyên nhân gây ra bệnh về hô hấp và tim mạch.

Các nước trên thế giới hiện nay hết sức chú ý cả về hiệu quả lẫn môi trường nên xu hướng chung trong việc nghiên cứu để sản xuất nhiên liệu diesel sạch là nâng cao trị số xetan và giảm hàm lượng lưu huỳnh đến giá trị nhỏ nhất có thể được, đồng thời mở rộng nguồn nhiên liệu, sản xuất nhiên liệu sạch ít ô nhiễm môi trường.

Các phương pháp nâng cao chất lượng của nhiên liệu diesel

Có nhiều cách để làm sạch diesel nhưng tập trung lại là 4 phương pháp sau:

– Phương pháp pha trộn : Thực chất là pha trộn nhiên liệu diesel sạch và diesel bẩn để thu được nhiên liệu diesel có chất lượng chấp nhận được . Phương pháp này có hiệu quả kinh tế không cao và chỉ có thể pha trộn trong giới hạn nhất định . Thế nhưng trên thực tế rất ít có dầu mỏ sạch ít lưu huỳnh và hydrocacbon mà chủ yếu là dầu mỏ có hàm lượng lưu huỳnh cao và khí hydrocacbon nhiều nên phương pháp này không phổ biến rộng rãi được .

– Phương pháp hydro hóa : Cho hiệu quả rất cao , các hợp chất khí  hydrocacbon giảm xuống rất thấp nên nhiên liệu diesel rất sạch . Tùy vậy phương pháp nào có đầu tư cao đến 60 – 80 triệu USD cho một dây chuyền hydro hóa nên hiệu quả kinh tế không cao .

– Phương pháp nhũ hóa diesel :  Đưa nước vào diesel để tạo nhũ tương. Loại nhũ tương này có hàm lượng oxy cao nên quá trình cháy sạch hơn và nếu khả thi thì chẳng những giảm được ô nhiễm mà còn có giá trị kinh tế cao. Tuy nhiên phương pháp này vẫn còn đang nghiên cứu trong phòng thí nghiệm.

– Phương pháp thứ tư: Đưa hợp chất chứa oxy vào nhiên liệu diesel và sản phẩm thu được gọi là nhiên liệu diesel sinh học. Dạng nhiên liệu này có nồng độ oxy cao, ít tạp chất nên quá trình cháy hoàn toàn ít tạo cặn.

Trong 4 phương pháp trên thì phương pháp thì phương pháp thứ tư được quan tâm và tập trung và quan tâm nghiên cứu nhiều nhất vì đây là phương pháp xuất phát từ nguyên liệu sinh học là nguồn nhiên liệu vô tận. Hơn thế, khi cháy lại tạo ít khí độc hại như CO, SOx, H2S, Hydrocacbon thơm…chính là những chất gây ô nhiễm môi trường.

Biodiesel là nhiên liệu sinh học điển hình, được điều chế từ dầu thực vật như dầu dừa,dầu bông, dầu hạt hướng dương,dầu cọ, dầu đậu nành…hoặc dầu mỡ động vật. Đây là những nguyên liệu không độc hại, có khả năng tự phân huỷ trong thiên nhiên, có thể sản xuất qua ngành trồng trọt và chăn nuôi. Ngoài ra, quá trình sản xuất biodiesel còn tạo ra sản phẩm phị glycerin có giá trị kinh tế cao, được sử dụng trong ngành dược phẩm và mỹ phẩm.

Biodiesel là nhiên liệu rất sạch, thay thế  cho động cơ đốt trong khi nguồn nhiên liệu hoá thạch can kiệt, lại không làm suy yếu các nguồn lợi tự nhiên khác và có lợi sức về khoẻ và môi trường. Việc sản xuất biodiesel từ dầu thực vật và mỡ động vật không những giúp cân bằng sinh thái mà còn làm đa dạng hoá các dạng năng lượng cung cấp cho con người, góp phần đảm bảo an ninh năng lượng, giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hoá thạch đồng thời đem lại lợi nhuận và việc làm cho người dân.

Biodiesel

Việc sử dụng dầu thực vật như một nhiên liệu thay thế để cạnh tranh với dầu mỏ đã được bắt đầu từ thập kỷ 80 của thế kỷ trước. Những ưu thế của dầu thực vật như có khả năng tái sinh, hàm lượng lưu huỳnh thấp hơn, hàm lượng chất thơm ít hơn, dễ phân huỷ trong tự nhiên, độ nhớt cao hơn và khả năng bay hơi thấp hơn…là không thể phủ nhận. Vấn đề chính liên quan đến việc hạn chế sử dụng trực tiếp dầu thực vật là độ nhớt. Dầu thực vật nhìn chung có độ nhớt cao gấp 10 – 20 lần nhiên liệu diesel N02D, ngoài ra còn tạo cặn trong động cơ. Thậm chí có loại như dầu thầu dầu còn có độ nhớt cao hơn, gấp 100 lần nhiên liệu diesel N02D. Do đó, người ta phải áp dụng một số biện pháp đặc biệt để giải quyết vấn đề độ nhớt cao của dầu thực vật như pha loãng, nhũ hoá, nhiệt phân, cracking xúc tác và metyl este hoá.

– Nhũ hoá dầu thực vật: Việc nhũ hoá được thực hiện cho dầu thực vật khi dùng các chất lỏng không thể hào tan được như etanol hay metanol…để làm giảm độ nhớt của dầu.

Chuyển hoá este tạo biodiesel: Quá trình này tạo ra các alkyl este axit béo có trong lượng phân tử và độ nhớt thấp hơn nhiều so với phân tử dầu thực vật ban đầu. Trong lượng phân tử của các ester khi đó chỉ bằng 1/3 trọng lượng phân tử dầu thực vật và có độ nhớt rất thấp, xấp xỉ bằng diesel khoáng. Như thế, biodiesel thu được có những tính chất phù hợp cho việc sử dụng vào động cơ diesel

Cracking xúc tác dầu thực vật: Việc làm này sẽ tạo ra các alkan, cycloalkan, alkylbenzen…. Tuy nhiên quá trình cracking dầu thực vật đòi hỏi phải tiến hành ở nhiệt độ thấp bởi dầu thực vật không chịu được nhiệt độ cao, cho nên việc chọn ra xúc tác thích hợp là việc không đơn giản, hơn nữa việc đầu tư một dây chuyền carcking xúc tác rất tốn kém.

– Pha loãng dầu thực vật: Để hạ độ nhớt của dầu thực vật, người ta pha loãng nó bằng etanol tinh khiết hoặc hỗn hợp  25% dầu hướng dương với 75% dầu khoáng thông thường cũng như thu được nhiên liệu giống như nhiên liệu diesel. Độ nhớt của nó là 4,88 cSt  tại 315K, trong khi theo ASTM thì giá trị lớn nhất là 4,0 cSt tại 3130K. BỞi vậy hỗn hợp này không phù hợp với việc sử dụng lâu dài cho động cơ đốt trong.

– Nhiệt phân dầu thực vật: Thực chất là quá trình phân huỷ các phân tử dầu thực vật bằng nhiệt trong môi trường có oxy để tạo ra alkan, alcadien, acid cacbocylic, hợp chất thơm và một lượng nhỏ sản phẩm khí. Quá trình nhiệt phân các hợp chất béo đã được thực hiện cách đây hơn 100 năm ở những nơi không có hoặc có ít dầu mỏ.

Sau khi xem xét và phân tích các phương pháp trên, ta thấy phương pháp chuyển hoá tạo este tạo biodiesel là sự lựa chọn tối ưu hơn cả vì các đặt tính vật lý của các metyl este rất gần với nhiên liệu diesel thông thường, hơn nữa quá trình này cũng đơn giản, chi phí không cao. Các metyl este có thể cháy trong động cơ với sự tạo cặn rất thấp mà không cần thay đổi chi tiết nào của động cơ.

Tính chất, ưu và nhược điểm của biodiesel:

a) Các tính chất của biodiesel: Biodiesel là các mon-alkyl este mạch thẳng được điều chế nhờ phản ứng trao đổi este giữa dầu thực vật với các loại rượu mạch thẳng như metanol và etanol. Biodiesel có tính chất vật lý giống như nhiên liệu diesel. Tuy nhiên các tính chất của khí thải thì biodiesel  tốt hơn dầu diesel. Những số liệu được nêu trong bảng 1.9 cho ta một cái nhìn tổng quát về các tính chất vật lý của biodiesel so với dầu diesel.

Sản phẩm cháy của biodiesel sạch hơn nhiều so với diesel khoáng. Đặc biệt, với B20 (20% biodiesel , 80% diesel khoáng) có thể sử dụng thẳng trong động cơ mà không cần thay đổi kết cấu của động cơ, thậm chí các động cơ diesel sẽ chạy tốt hơn với B20

b) Một số ưu điểm: Biodiesel  có những ưu điểm lớn vượt trội so với diesel khoáng như sau:

– An toàn cháy nổ: Biodiesel có nhiệt độ chớp cháy trên 1100C cao hơn so với diesel khoáng nên nó an toàn hơn trong quá trình tồn chứa và bảo quản.

– Hàm lượng lưu huỳnh: Biodiesel có hàm lượng lưu huỳnh rất thấp, chỉ khoảng 0,001%, nên khi cháy nó thải ra rất ít SO2­. Với đặc tính quý giá như vậy biodiesel đựoc coi là nhiên liệu sạch và thân thiện với môi trường.

– Giảm lượng khí thải độc hại: Theo các nghiên cứu của Bộ Năng lượng Mỹ thực hiện ở một trường đại học của bang Califonia thì việc sử dụng biodiesel tinh khiết thay cho biodiesel khoáng có thể làm giảm 93,6% nguy cơ mắc bệnh ung thư từ khí thải của diesel do biodiesel chứa rất ít các hợp chất thơm và lưu huỳnh nên quá trình cháy của nó triệt để hơn và giảm rất nhiều hydrocacbon trong khí thải.

– Có khả năng bôi trơn giảm mài mòn: Biodiesel có khả năng bôi trơn tốt hơn diesel khoáng. Ta biết là khả năng bôi trơn của nhiên liệu được đặc trưng bằng một giá trị gọi là HFRR (high frequency receiprocating rig). Giá trị này càng thấp thì khả năng bôi trơn của nhiên liệu càng tốt.  Diesel khoáng đã xử lý lưu huỳnh có HFRR ≥ 500 khi không có phụ gia trong khi giới hạn đặc trưng của diesel là 450. Vì vậy diesel khoáng cần phải được bổ sung phụ gia để tăng bôi trơn. Trong khi đó HFRR của biodiesel khoảng 200 và như vậy chính biodiesel sẽ là phụ gia tốt nhất cho diesel khoáng. Khi thêm biodiesel vào với tỉ lệ nhất định thì sẽ mài mòn động cơ giảm đáng kể, thậm chí sau 15 000 giờ làm việc vẫn không phát hiện được sự mài mòn đáng kể.

– Khả năng thích hợp cho mùa đông: Nhiên liệu cho động cơ diesel nói chung phải giữ được tính lưu biến tốt vào mùa đông khi nhiệt độ hạ đến – 200C. Cả những nhiên liệu đã pha thêm phụ gia cũng vậy. Sự kết tinh tạo parafin xảy ra trong khối nhiên liệu diesel sẽ gây trở ngại cho các đường ống dẫn và quá trình phun nhiên liệu. Khi đó cần thiết phải làm sạch hệ thống. Còn đối với biodiesel, chỉ bị đông đặc khi nhiệt độ tăng nên không cần thiết phải làm sạch hệ thống nhiên liệu.

– Khả năng phân huỷ sinh học: Biodiesel có khả năng phân huỷ trong thiên nhiên nhanh gấp bốn lần so với diesel khoáng. Do tính chất an toàn như vậy mà biodiesel rất thích hợp làm nhiên liệu cho máy móc ở những khu vực nhạy cảm như các khu đông dân cư hoặc gần nguồn nước.

– Quá trình cháy sạch: Do biodiesel chứa 11% oxy nên quá trình cháy diễn ra hoàn toàn và tạo ra rất ít muội trong động cơ.

– Dễ dàng sản xuất: Do nguyên liệu cho sản xuất biodiesel là dầu thực vật, mỡ động vật đều là những nguyên liệu có khả năng tái sinh và không làm ảnh hưởng đến nguồn năng lượng tự nhiên.Nguồn nguyên liệu đó lại có thể được cung cấp chủ động và dễ dàng.

– Trị số xetan cao: Thông thường, diesel khoáng có trị số xetan 50 – 52 đối với động cơ thường và 35 – 54 đối với động cơ cao tốc. Trong khi đó biodiesel có trị số xetan 56 – 58. Với giá trị như vậy biodiesel hoàn toàn đáp ứng được những yêu cầu khắt khe nhất của động cơ diesel cao tốc là cần nhiên liệu chất lượng cao với khả năng tự bắt cháy nhanh mà không cần bất cứ phụ gia nào.

c) Nhược điểm của biodiesel: Tuy có những ưu điểm lớn kể trên,biodiesel vẫn còn có những nhược điểm khá lớn như sau đây.

– Giá thành cao: Biodiesel tổng hợp vẫn còn đắt hơn diesel thông thường. Ở Mỹ, giá một gallon dầu đậu gấp 2 – 3 lần một gallon diesel khoáng. Tuy vậy, trong quá trình sản xuất biodiesel còn tạo ra glyxerin là một chất có giá trị cao nên sẽ bù đắp chi phí sản xuất biodiesel.

– Quá trình sản xuất biodiesel không đảm bảo:

Nếu rửa biodiesel không sạch thì khi sử dụng vẫn gây ra các vấn đề ô nhiễm do vẫn còn xà phòng, kiềm dư, glyxerin tự do và metanol. Đây đều là những chất độc hại cho sức khoẻ con người đồng thời cũng là những chất gây ô nhiễm mạnh, tác động xấu tới môi trường sinh thái.

– Tính chất thời vụ của dầu thực vật: Cần phải có những chính sách và chiến lược hợp lý nếu muốn sử dụng biodiesel như một nhiên liệu.

– Tính kém ổn định: Do biodiesel dễ bị vi khuẩn phân huỷ.

– Thải ra nhiều NOx: Nếu tỷ lệ pha trộn biodiesel vào diesel khoáng tăng thì hàm lượng NOx cũng tăng theo. Tuy nhiên có thể sử dụng bộ tuần hoàn khí thải để giảm lượng khí này hoặc gắn thêm hộp xúc tác ở ống xả động cơ.

– Làm hỏng các bộ phận bằng cao su: Do có chứa một tỷ lệ nhất định rượu nên biodiesel có thể làm hỏng các bộ phận bằng cao su bên trong động cơ. Nếu động cơ sử dụng 100% biodiesel thì trong vòng 160 000 km các bộ phận bằng cao su bên trong động cơ phải được thay thế. Để hạn chế nhược điểm này, các nhà chế tạo đã thay thế những bộ phân cao su bằng vật liệu tổng hợp, chẳng hạn floroelastom. Nói chung, những vật liệu bền với tác nhân oxy hoá, metanol và etanol đều phù hợp khi sử dụng với biodiesel.

Nguyên liệu cho quá trình tổng hợp biodiesel

a) Rượu: Rượu đơn hay được sử dụng trong quá trình sản xuất biodiesel là metanol. Ngoài ra có thể sử dụng các rượu khác như etanol, propanol, butanol… làm nguyên liệu cho quá trình này. Một thông số quan trọng đối với rượu là hàm lượng nước do nước làm giảm hiệu suất phản ứng và tạo nhiều xà phòng. Một vấn đề đáng lưu ý đối với nhà sản xuất là giá cả trên thị trường của loại rượu sử dụng do rượu được dùng dư nhiều so với dầu để tạo hiệu suất chuyển hoá cao. Chính vì vậy giá cả của rượu cũng là yếu tố được quan tâm đặc biệt.

b) Xúc tác: Thường sử dụng trong quá trình này có thể là xúc tác bazơ đồng thể hoặc dị thể, xúc tác axit hoặc enzyme. Nói chung, thường sử dụng nhất vẫn là xúc tác bazơ NaOH hoặc KOH vì cho hiệu suất chuyển hoá rất cao. Tuy nhiên khi sử dụng xúc tác này nên lưu ý đến yêu cầu đối với nguyên liệu đầu vào sao cho hàm lượng axit béo tự do và hàm lượng nước phải được hạn chế dưới mức nhất định. Nếu yêu cầu này không đạt thì hiệu suất phản ứng và chất lượng sản phẩm sẽ giảm.

Xúc tác axit cũng có thể sử dụng cho quá trình chuyển hoá triglyxerit thành biodiesel nhưng so với xúc tác bazơ thì thường chậm hơn và hiệu suất không cao bằng. Sử dụng xúc tác này có lợi thế là không cần xử lý sâu hàm lượng axit béo và lượng nước trong nguyên liệu. Xúc tác enzyme cho hiệu suất phản ứng cao và điều kiện phản ứng đơn giản nhưng chưa được sản xuất trong công nghiệp do còn dang trong quá trình nghiên cứu.

Hiện nay đang có xu hướng sử dụng xúc tác dị thể do có nhiều ưu điểm hơn xúc tác đồng thể như dễ tách và dễ tinh chế sản phẩm sau phản ứng. Xúc tác dị thể cũng dễ tái sinh, công đoạn xử lý xúc tác ít tốn kém lại không làm ô nhiễm môi trường. Các xúc tác dị thể thường sử dụng như NaOH/MgO hoặc NaOH/γ – Al2O3 cho hiệu suất khá cao đến 90%. Ngoài ra còn nhiều loại xúc tác đang được nghiên cứu thêm. Tất cả đều hướng đến mục tiêu nhằm nâng cao hiệu suất thu sản phẩm, hạ thấp giá thành qua việc làm đơn giản hoá các công đoạn, giảm tiêu thụ năng lượng…

c) Dầu mỡ động thực vật: Nguyên liệu cho sản xuất biodiesel là các loại dầu thực vật, mỡ động vật và các loại dầu mỡ đã qua sử dụng. Chúng đều chứa triglyxerit, axit béo tự do và các tạp chất khác tuỳ thuộc vào mức độ xử lý trước khi đưa vào làm nguyên liệu sản xuất biodiesel. Tuỳ thuộc vào phương pháp tổng hợp biodiesel mà yêu cầu vể nguyên liệu có khác nhau. Vói phản ứng dùng xúc tác kiềm là NaOH hay KOH thì nguyên liệu phải đảm bảo hàm lượng axit béo dưới 1% là tốt nhất. Trong khi đó, với phản ứng dùng xúc tác dị thể như MgO – NaOH hay γ – Al2O3 – NaOH thì nguyên liệu có hàm lượng axit béo dưới 5%.

Các phương pháp tổng hợp biodiesel

Quá trình chuyển hoá este tạo thành biodiesel còn được được gọi là quá trình rượu hoá, có nghĩa là từ một phân tử triglyxerit qua phản ứng mà tách ra glyxerinvà tạo các alkyleste. Rượu sử dụng ở đây thường là rượu đơn chức chứa một đến tám nguyên tử cacbon trong phân tử như metanol, etanol, butanol và amyl alcol. Hay sử dụng nhất là metanol và etanol. Etanol có ưu điểm là sản phẩm của nông nghiệp, có thể tái sinh được, dễ bị phân huỷ sinh học, ít bị ô nhiễm môi trường. Nhưng metanol lại được sử dụng nhiều do giá thành thấp hơn và cho phép tách đồng thời glyxerin do nó là rượu có mạch ngắn nhất lại phân cực. Quá trình sử dụng etanol có phức tạp hơn vì nó yêu cầu lượng nước trong rượu và dầu rất thấp. Ngoài ra, metyl este có năng lượng lớn hơn etyl este nên khả năng tạo cốc ở vòi phun thấp hơn. Có ba phương pháp cơ bản đẻ sản xuất biodiesel từ dầu thực vật và mỡ động vật:

a)    Phương pháp trao đổi este có sử dụng xúc tác: Trong phương pháp này có ba loại xúc tác hay được sử dụng là:

– Xúc tác bazơ : Được sử dụng trong quá trình chuyển hoá este dầu thực vật là xúc tác đồng thể pha lỏng như KOH, NaOH, K2CO3, CH3ONa hoặc xúc tác dị thể như MgO, nhựa trao đổi cation Amberlyst 15, titanium silicat TIS… Xúc tác đồng thể CH3ONa cho độ chuyển hoá cao nhất, thời gian phản ứng ngắn nhất nhưng với yêu cầu không được có mặt của nước nên không thích hợp với điều kịên công nghiệp.Xúc tác dị thể NaOH/MgO có hoạt tính rất cao nhưng còn đang trong quá trình nghiên cứu hoàn thiện.

Kết quả thí nghiệm đối với các loại xúc tác khác nhau trong cùng điều kiện nhiệt độ 600C, thời gian phản ứng 8h, trên cùng một loại dầu, cùng một tác nhân rượu hoá và cùng tỷ lệ mol dầu/rượu như nhau sẽ cho độ chuyển hoá khác nhau. Từ bảng số liệu này ta thấy độ chuyển hoá đạt cao nhất khi sử dụng xúc tác kiềm, còn các xúc tác dị thể cho độ chuyển hoá thấp, trong đó cao nhất là NaOH/MgO đạt 90%. Hiện nay đang có xu hướng sử dụng xúc tác dị thể.

– Xúc tác axit: Chủ yếu là các axit Bronsted như H2SO4, HCL… được sử dụng đồng thể trong pha lỏng. Phương pháp xúc tác đồng thể đòi hỏi nhiều năng lượng cho tinh chế sản phẩm. Các xúc tác này cho độ chuyển hoá thành este cao nhưng nhiệt độ phải đạt trên 1000C và thời gian dài đến 6 giờ mới đạt độ chuyển hoá hoàn toàn. Chẳng hạn nếu sử dụng xúc tác H2SO4 nồng độ 1% với tỷ lệ metanol/dầu là 30/l thì sau 50 giờ và ở nhiệt độ 650C mới đạt độ chuyển hoá 99%.

– Xúc tác enzym: Gần đây có nhiều nhà khoa học quan tâm đến khả năng ứng dụng của xúc tác vi sinh vao quá trình sản xuất biodiesel. Enzymlà xúc tác sinh học có đặc tính pha nền, đặc tính nhóm chức và đặc tính tập thể trong môi trường nước. Cả hai dạng lipaza nội bào và ngoại bào đều xúc tác một cách có hiệu quả cho quá trình trao đổi ester của triglyxerit trong môi trường nước hoặc không nước. Phản ứng trao đổi ester sử dụng xúc tác enzym có thể vượt qua tất cả các trở ngại có thể gặp phải đối với quá trình chuyển hoá hoá học trình bày ở trên. Những sản phẩm phụ như glyxerin và metanol có thể tách ra khỏi sản phẩm một cách dễ dàng, đồng thời các axit béo tự do có chứa trong dầu mỡ sẽ được chuyển hoá thành metyl este.

Xúc tác enzyme cho độ chuyển hoá cao nhất, thời gian phản ứng ngắn nhất, quá trình tinh chế sản phẩm đơn giản nhất nhưng xúc tác này chưa được sử dụng rộng rãi do giá thành cao. Để có thể sử dụng enzym được nhiều lần, người ta mamg enzym lipaza trên chất mang xốp là vật liệu vô cơ hoặc nhựa amoniac. Xúc tác dễ dàng thu hồi để sử dụng lại cũng giúp giảm chi phí cho quá trình, tạo tiền đề cho việc sử dụng enzym vào việc sản xuất biodiesel.

b) Phương pháp siêu tới hạn: Đây là phương pháp không sử dụng xúc tác nhưng cần nhiệt độ và áp xuất tiến hành phản ứng rất cao khoảng 8500K và P > 100 Mpa.Phương pháp này có độ chuyển hoá cao, thời gian phản ứng ngắn nhất và quá trình tinh chế sản phẩm đơn giản nhất vì không sử dụng xúc tác. Tuy nhiên do chế độ công nghệ đòi hỏi cao và phức tạp nên đầu tư cũng cao.

c) Phương pháp hai giai đoạn: Chuyển hoá dầu thành axit sau đó este hoá thành biodiesel. Phương pháp này trải qua hai giai đoạn, hiệu quả không cao nên ít được sử dụng.

 

[Video] Giới thiệu nhà máy Lọc dầu Dung Quất

Continue reading

Zeolit

Zeolit tự nhiên và tổng hợp là các aluminosilicat tinh thể có cấu trúc không gian ba chiều với hệ thống lỗ xốp đồng đều và rất trật tự. Không gian bên trong gồm những hốc nhỏ được thông với nhau bằng những đường hầm (rãnh) cũng có kích thước ổn định dao động trong khoảng 3 ÷12Å. Nhờ hệ thống lỗ và đường hầm đó mà zeolit có thể hấp phụ những phân tử có kích thước nhỏ hơn kích thước lỗ và đường hầm của chúng và đẩy ra những phân tử có kích thước lớn hơn, với khả năng đó zeolit còn được xem là một loại “rây phân tử”

Công thức hóa học của zeolit được biểu diễn dưới dạng sau:

Mx/n[(AlO2)x.(SiO2)y].zH2O

        Trong đó:  M là cation bù trừ điện tích âm có hoá trị n.

x, y là số tứ diện nhôm và silic, thông thường y/x ≥1 và thay đổi tuỳ theo từng loại zeolit.

z là số phân tử nước kết tinh trong zeolit.

Phần trong ngoặc [ ] là thành phần một ô mạng cơ sở của tinh thể.

Zeolit được tạo thành do nhôm thay thế cho một số nguyên tử silic trong mạng lưới tinh thể của silic oxit kết tinh. Vì nguyên tử nhôm hóa trị 3 thay cho nguyên tử silic hóa trị 4 nên mạng lưới zeolit có dư điện tích âm. Để trung hòa điện tích zeolit cần có cation dương để bù trừ điện tích âm dư. Trong tự nhiên hay trong tổng hợp những cation đó thường là các cation kim loại kiềm (Na+, K+) hoặc kim loại kiềm thổ (Mg2+, Ca2+) các cation này nằm ngoài mạng lưới tinh thể.

Continue reading

Cao Lanh

Cao lanh, là một loại khoáng sét tự nhiên rất phổ biến trên thế giới, đây là một loại khoáng sét dẻo không trương nở, có màu trắng, vàng hoặc nâu đỏ. Cao lanh được tìm thấy ở rất nhiều mỏ khác nhau trên thế giới, ở Việt Nam cao lanh có ở Yên Bái, Hải Dương, Vĩnh Yên, Hà Giang, Phú Thọ, Lâm Đồng…với trữ lượng lớn và chất lượng khá tốt.

Cao lanh đã được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau như công nghiệp vật liệu xây dựng, sản xuất gốm sứ, công nghiệp in, làm chất nền, mới đây cao lanh đang được chú ý như một nguồn nguyên liệu có nhiều ưu điểm để sản xuất zeolit làm các chất trao đổi ion, hấp phụ, làm các chất xúc tác công nghiệp hóa học và môi trường.

Continue reading

Công nghệ chiết bằng CO2 siêu tới hạn (Supercritical CO2 – SCO2)

Đối với mỗi một chất đang ở trạng thái khí, khi bị nén đẳng nhiệt tới một áp suất đủ cao, chất khí sẽ hóa lỏng và ngược lại. Tuy nhiên, có một giá trị áp suất mà tại đó, nếu tăng nhiệt độ lên thì chất lỏng cũng không hóa hơi trở lại mà tồn tại ở một dạng đặc biệt gọi là trạng thái siêu tới hạn. Vật chất ở trạng thái trung gian này, mang đặc tính của cả chất khí và chất lỏng.

Chất ở trạng thái siêu tới hạn có tỷ trọng tương đương như tỷ trọng của pha lỏng. Nhưng sự linh động của các phân tử lại rất lớn, sức căng bề mặt nhỏ, hệ số khuếch tán cao giống như khi chất ở trạng thái khí. Hình dưới biểu thị vùng trạng thái siêu tới hạn của một chất trong biểu đồ cân bằng pha rắn, lỏng và khí của chất đó theo sự biến thiên của áp suất và nhiệt độ

Các dung môi siêu tới hạn có khả năng hòa tan tốt các chất ở cả 3 dạng rắn, lỏng và khí. Dung môi siêu tới hạn có sự tác động lên cả các chất dễ bay hơi và cả các cấu tử không bay hơi của mẫu. Hiệu quả phân tách kết hợp của quá trình chưng cất lôi cuốn và quá trình chiết ngược dòng lỏng – rắn.

Để đáp ứng các yêu cầu công nghệ chiết tách các hợp chất thiên nhiên, SCO2 là dung môi được ưu tiên lựa chọn áp dụng vì các thuận lợi sau:

–  CO2 là một chất dễ kiếm, rẻ tiền vì nó là sản phẩm phụ của nhiều ngành công nghệ húa chất khác;

–  Là một chất trơ, ít có phản ứng kết hợp với các chất cần tách chiết. Khi được đưa lên đến trạng thái tới hạn, CO2 không tự kích nổ, không bắt lửa và không duy trì sự cháy;

–  CO2 không độc với cơ thể, không ăn mòn thiết bị;

–  Điểm tới hạn của CO2 (Pc = 73 atm; Tc = 30,9oC) là một điểm có giá trị nhiệt độ, áp suất không cao lắm so với các chất khác cho nên sẽ ít tốn năng lượng hơn để đưa CO2 tới vùng siêu tới hạn;

–  Có khả năng hòa tan tốt các chất tan hữu cơ ở thể rắn cũng như lỏng, đồng thời cũng hòa tan được cả các chất thơm dễ bay hơi, không hòa tan các kim loại nặng và có thể điều chỉnh các thông số trạng thái như áp suất và nhiệt độ để nâng cao độ chọn lọc khi chiết tách;

–        Khi sử dụng CO2 thương phẩm để chiết tách không có dư lượng cặn độc hại trong chế phẩm chiết.

CO2 ở trạng thái lỏng từ trong bình chứa khí với áp suất (50-55 bar) được dẫn qua thiết bị truyền nhiệt làm lạnh xuống khoảng nhiệt độ 0-10C để tăng tỷ trọng dòng dung môi CO2 lỏng trước khi vào bơm cao áp. Bơm cao áp nén CO2 vào bình chiết ở áp suất làm việc đã đặt trước. Nhiệt độ của CO2 trong bình chiết được điều chỉnh tự động bằng hệ thống điều khiển Fuzzy logic (4) nhằm duy trì trạng thái ổn định ở nhiệt độ chiết. Concrete cùng với dòng SCO2 ra khỏi bình chiết qua van tháo số 1 tiếp đó được giảm áp  bằng van tháo số 2, dịch chiết đi vào bình tách đã đặt trước nhiệt độ ổn định 350C và tại đây CO2 hóa khí tách ra khỏi sản phẩm.

Nguyên lý hoạt động và sự biến đổi trạng thái của CO2 trong quá trình chiết

Khí CO­2 lúc ban đầu trong bình chứa ở trạng thái 1 (Xem hình 2.3), thường là áp suất trong khoảng 45 – 55 bar, nhiệt độ 12 – 200C. Khi được hạ nhiệt độ ở điều kiện đẳng áp từ trạng thái 1 sang trạng thái 2, CO2 lỏng tới nhiệt độ 0-10C và tỷ trọng tăng dần lên, ở điều kiện này CO­2 lỏng có thể pha trộn với các co-solvent dễ dàng. Quan trọng hơn, khi CO2 ở thể lỏng và có tỷ trọng cao, thì dễ sử dụng bơm cao áp để nén lên áp suất cao và điều chỉnh lưu lượng vào bình chiết thuận lợi.

Qua bộ phận làm lạnh, CO2 lỏng được bơm cao áp nén qua van điều chỉnh lưu lượng vào bộ phận trao đổi nhiệt để điều chỉnh tỷ trọng và độ nhớt phù hợp với yêu cầu công nghệ, CO2 đạt tới trạng thái 3 bên trong bình chiết. CO2 lỏng từ trạng thái 3 được giữ ở điều kiện đẳng áp và tăng nhiệt độ dần dần để chuyển CO2 lỏng sang trạng thái siêu tới hạn 4 trong bình chiết.

Quá trình chiết nguyên liệu thực vật bằng CO2 siêu tới hạn có thể thực hiện liên tục hoặc gián đoạn tùy theo yêu cầu công nghệ. Van bảo hiểm an toàn áp suất cho hệ thống chiết (màng 3 – Rupture disk – Hình 2.2) được lắp trên đường dẫn CO2 vào bình chiết.

Kết thúc quá trình chiết, dịch chiết được dẫn vào bình phân tách. Tại đây quá trình tách concrete ra khỏi CO2. Trạng thái từ 4 trở về trạng thái 5 là quá trình giảm áp. Khi dịch chiết vào bình phân tách (5 ® 1) để tạo các phân đoạn khác nhau thì có thể chọn các giá trị áp suất P và nhiệt độ thích hợp.

Với hệ thiết bị được sử dụng trong đề tài, do lưu lượng nhỏ nên hệ thiết bị không thu hồi CO2. Trong sản xuất công nghiệp, khí CO2 tách ra được sử dụng tuần hoàn trở lại.

Hỏi đáp Hóa học thường thức

  1. Làm thế nào để khắc trạm các hình vẽ, hoa văn lên thuỷ tinh?

Thuỷ tinh là vật liệu cứng và trơn, rất khó có thể dùng trạm khắc thông thường để tạo các hình vẽ, hoa văn một cách chính xác. Để làm được điều đó phải sử dụng axit flohydric, một loại axit ăn mòn thuỷ tinh rất mạnh. Trước tiên, tráng một lớp parafin lên bề mặt thuỷ tinh rồi cẩn thận dùng lưỡi chạm để khắc vẽ các hoa văn trên lớp parafin sao cho để lộ chúng đến bề mặt thuỷ tinh. Sau đó dùng axit flohydric phủ lên bề mặ parafin để cho ăn mòn các nét vẽ, điều này cuối cùng sẽ tạo các hoa văn trên bề mặt thuỷ tinh.=

2. Loại sơn đáy tàu thuyền đi biển có gì đặc biệt nhằm đảm bảo các đặc tính của tàu thuyền?

Trong nước biển luôn có các sinh vật sống trôi nổi như: rong, sò, hà, trùng đục lỗ,… Đặc biệt là khi chúng còn ở dạng ấu trùng, các sinh vật này rất dễ bám vào đáy tàu và các phần tàu ngập trong nước. Qua thời gian dài, các sinh vật này càng phát triển. Điều này sẽ làm giảm đáng kể tốc độ của tàu thuyền. Để hạn chế điều này, đáy thuyền được sơn bằng loại sơn đặc biệt có chứa một số chất độc như: đồng (I) oxit, các hợp chất có chứa thuỷ ngân, các hợp chất hữu cơ có chứa thiếc,…

3. Nguyên tắc hoạt động của dụng cụ phát hiện các lái xe uống rượu?

Thành phần chính của các loại đồ uống có cồn là rượu etylic. Rượu etylic là một chất dễ bị oxy hoá. Chất oxy hoá được dùng trong các máy đo độ cồn của lái xe là crom (VI) oxit CrO3, một chất kết tinh màu vàng da cam. Bột crom (VI) oxit CrO3 khi gặp rượu etylic sẽ bị khử thành crom (III) oxit có màu xanh đen. Đây là phản ứng rất nhạy dùng để phát hiện rượu trong hơi thở của người lái xe.

4. Tại sao các vận động viên trước khi thi đấu thường phải xoa bột trắng vào lòng bàn tay?

Bột trắng thường dùng là bột magie cacbonat, một loại bột rắn mịn, nhẹ và có tác dụng hút ẩm tốt. Magie cacbonat có tác dụng hấp thụ mồ hôi trên bàn tay của vận động viên, đồng thời tăng cường độ ma sát giữa bàn tay và các dụng cụ thể thao.

5. Tại sao người ta thường nhuộm xanh các hạt hút ẩm silicagel?

Hạt hút ẩm silicagel là những hạt rắn có kích thước hạt đậu, diện tích bề mặt lớn do có nhiều lỗ nhỏ và có tác dụng hút nước mạnh. Khi ngâm các hạt silicagel vào dung dịch muối coban clorua thì thu được các hạt silicagel có màu. Hạt chưa hút ẩm có màu xanh. Khi hạt silicagel được sử dụng để hút ẩm và đến một mức độ nào đó thì biến thành màu đỏ của coban clorua ngậm nước. Điều này báo hiệu silicagel đã hút nhiều nước và cần phải đem sấy khô. Khi được sấy khô, các tinh thể ngậm nước của coban clorua sẽ trở về dạng khan, hạt silicagel lại trở lại màu xanh.

6. Tại sao sau khi thuộc da thì da lại trở nên mềm và bền?

Da động vật thường có chứa nhiều protein, nếu không qua xử lý thì các protein này rất dễ bị thay đổi. Thuốc thuộc gia có thể có nguồn gốc thực vật, khoáng vật và dầu béo. Axit tanic là một chất thuộc da được sử dụng từ lâu. Giai đoạn đầu tiên là xử lý ban đầu: ngâm tẩm, lạng mỡ, nhổ lông, rửa da, ngâm axit hoặc kali nitrat, làm cho da sạch mỡ, sạch lông, hết vi khuẩn, trở nên mềm và sạch sẽ. Các chất keo trong da vốn là các protein dạng sợi sẽ duỗi ra và nở to ra. Giai đoạn tiếp theo là quá trình thuộc da: tuỳ theo yêu cầu mà chọn các thuốc thuộc da khác nhau để gây biến đổi cho các protein dạng sợi, giữ cho da mềm, bền, không bị thối, nhớt. Cuối cùng là bước nhuộm màu, sấy khô, mài phẳng, vò mềm, đánh bóng…

7. Giải thích tính tự dập lửa của sợi clovinyl?

Các loại sợi tự nhiên, sợi propylen, sợi nitrilong… đều dễ bắt cháy khi gặp lửa (300-400oC). Các chất cao phân tử này khi bốc cháy tạo ra các gốc tự do, ví dụ H·, OH·, OOH·. Tốc độ sinh sôi gốc tự do ngày càng lớn. Đối với sợi clovinyl, khi cháy sẽ phân giải phân tử HCl. Phân tử này sẽ hấp thụ năng lượng của các gốc tự do và tự động dập lửa.

8. Tinh thể lỏng là gì?

Tinh thể lỏng là các hợp chất hữu cơ thuộc 3 loại: họ chlesterol, họ gần tinh thể, họ sắp xếp định hướng. Trong điều kiện bình thường, các phân tử của hợp chất tinh thể lỏng sắp xếp có trật tự, trạng thái của chúng hoàn toàn trong suốt. Khi áp vào tinh thể lỏng một điện áp dòng một chiều, sự sắp xếp các phân tử bị xáo trộn làm thay đổi các tính chất quang học của nó (hiệu ứng điện quang). Hiệu ứng điện quang của hợp chất tinh thể lỏng được ứng dụng làm màn hình hiện số.

9. Vì sao khi đốt xăng, cồn thì cháy hết sạch, còn khi đốt gỗ, than đá lại còn tro?

Xăng và cồn chứa những hợp chất hữu cơ dễ cháy (hidrocacbon, rượu) nên khi đốt các thày phần của chúng đều cháy hết tạo CO2 và H2O.

Gỗ và than đá lại có thành phần hết sức phức tạp. Trong gỗ có những thành phần dễ cháy như xelulozơ, nhựa… nhưng gỗ còn chứa các khoáng chất không cháy được và tạo thành tro. Trong than đá ngoài cacbon và các hợp chất hữu cơ phức tạp còn có các chất khoáng là các muối silicat khi đốt sẽ không cháy và tạo tro.

10. Vì sao sau cơn mưa giông, không khí trở nên trong lành hơn?

Nguyên nhân thứ nhất là do nước mưa đã gột sạch bụi bẩn làm bầu không khí được trong sạch.

Nguyên nhân thứ hai là do sự tạo thành Ozon dưới tác dụng của tia lửa điẹn phát sinh từ sét. Ozon có tác dụng diệt khuẩn và tẩy trắng. Khi có nồng độ nhỏ làm cho không khí trở nên trong ssạch, tươi mát.

11. Vì sao về mùa hè, trên mặt hồ ao thường nổi lên nhiều bóng khí? Có phải là do cá đớp không khí không?

Bọt khí thoát ra có thành phần chính là metan do các vi khuẩn có mặt trong nước đã phân huỷ các hợp chất mùn có ở đáy hồ ao. Khí metan là chất khí không màu, không mùi và hầu như không tan trong nước, do đó thoát ra ngoài tạo nên các bóng khí trên mặt hồ ao.

12. Vì sao khi sử dụng máy photocopy phải chú ý đến việc thông gió?

Khi máy photocopy hoạt động thường xảy ra hiện tượng phóng điện cao áp nên có thể sinh ra khí ozon. Khí ozon khi có nông độ cao sẽ rất nguy hiểm cho sức khoẻ, gây tổn hại cho đại não, gây đột biến, ung thư,…

13. Vì sao với xăng chỉ cần châm lửa là bắt cháy, còn dầu hoả phải dùng bấc mới đốt được?

Xăng và dầu hoả đều được chế tạo từ dầu mỏ và chứa các hidrocacbon nhưng với số nguyên tử cacbon khác nhau. Xăng chúa các phân tử có số cacbon 5-11, còn dầu hoả là 11-16. Sự cháy của xăng và dầu hoả thuộc loại cháy do bay hơi và liên quan đến sự dẫn lửa và điểm bắt lửa. Điểm bắt lửa của một nhiên liệu lỏng là nhiệt độ thấp nhất để trên bề mặt nhiên liệu lỏng tạo thành hỗn hợp cháy của hơi với không khí.

Xăng có điểm bắt lửa thấp hơn nhiệt độ môi trường, khoảng – 46oC nên trên bề mặt của xăng ở nhiệt độ thường tồn tại hỗn hợp cháy với không khí. Khi hỗn hợp này chỉ cần tiếp xúc với ngọn lửa hoặc tia lửa là sẽ bắt cháy. Sau khi lớp hơi trên mặt xăng lỏng cháy, xăng lại tiếp tục bay hơi mạnh và sự cháy tiếp tục dược duy trì.

Dầu hoả có điểm bắt lửa 28 – 45oC cao hơn nhiệt độ môi trường. ở nhiệt độ thường trên bề mặt dầu hoả không có hỗn hợp cháy nên không dễ bắt lửa để cháy. Khi tẩm dầu hoả vào bấc đèn, dầu sẽ ngấm vào bấc. Bấc đèn dễ cháy và làm nhiệt độ xung quanh sợi bấc vượt quá điểm bắt lửa của dầu hoả làm cho dầu hoả trên bề mặt bấc đèn bốc cháy. Dầu hoả liên tục ngấm lên sợi bấc bảo đảm duy trì sự cháy.

14. Vì sao bóng đèn điện tròn dùng lâu lại xuất hiện lớp mờ màu đen bám bên trong bóng đèn sau đó dây tóc bị đứt?

Bóng đèn có sợi đốt bằng vonfram rất mảnh. Vonfram là kim loại khó nóng chảy (tnc= 3380oC) và có điện trở rất lớn, khi được đốt nóng sẽ trở nên sáng trắng. Khi đạt đến nhiệt độ sáng trắng, có một phần nhỏ vonfram trên bề mặt sợi wonfram sẽ bay hơi, gặp bóng thuỷ tinh lạnh sẽ ngưng tụ lại, lâu ngày tạo nên lớp màu đen. Sợi vonfram càng bay hơi sẽ càng bé, điện trở ngày càng tăng cao, do đó nhiệt độ sợi đốt càng cao và vonfram càng bay hơi nhanh. Đến một mức độ sợi vonfram sẽ không chịu đựng được nữa và sẽ bị đứt.

Để hạn chế sự bay hơi của vonfram, khí trơ nitơ được đưa vào trong bóng đèn làm cho bóng khó bị đen hơn và tuổi thọ sẽ lâu hơn.

15. Các loại đèn chớp sáng loại cũ và loại mới dùng trong việc chụp ảnh có gì khác nhau?

Đèn chớp sáng loại cũ thường dùng việc đốt kim loại magie hoặc nhôm để phát ra ánh sáng. Các loại đèn này chỉ dùng được một lần.

Ngày nay đèn chớp được thay thế bằng các đèn chớp điện tử dùng năng lượng điện biến thành năng lượng ánh sáng, có thể dùng nhiều lần.

16. Vì sao lại chụp được ảnh màu?

Từ ba ánh sáng màu: đỏ, lục, lam có thể phối trộn với nhau để cho ánh sáng có màu bất kỳ nào đó. Trên phiam ảnh đen trắng, chất cảm quang bạc halogenua chỉ nhạy với màu lam. Khi thêm vào các “thuốc nhuộm đặc biệt” có thể làm phim nhạy cảm với màu đỏ hoặc màu lục. Phim màu được chế tạo thành nhiều lớp: Trước hết trải lên đế lớp nhũ tương có chất tắng nhạy cảm màu đỏ; tiếp theo trải lớp nhũ tương có thêm chất tăng nhạy cảm màu lục; trên cùng là lớp nhũ tương không thêm chất tăng cảm quang. Sau khi ánh sáng phân giải, tuỳ thuộc vào thành phần ánh sáng đỏ, lục, lam mà tác dụng khác nhau trên các lớp nhũ tương có nhạy cảm khác nhau với ánh sáng tạo nên phim âm bản.

17. Kính đổi màu hoạt động theo nguyên tắc nào?

Kính đổi màu có chứa một lượng chất cảm quang bạc halogenua thích hợp. Các hạt bạc halogenua rất bé phân bố đều đặn trong mắt kính sẽ không gây sự tán xạ. Khi có ánh sáng mạnh chiếu vào thì xảy ra phản ứng phân huỷ các bạc halogenua thành bạc kim loại và các nguyên tử halogen. Các hạt bạc nhỏ phân bố đều đén mức độ nào đó sẽ làm mắt kính sẫm lại. Khi nguồn ánh sáng mạnh mất đi thì các nguyên tử bạc và halogen lại kết hợp với nhau tạo thành bạc halogenua. Ngoài ra trong kính đổi màu còn có thêm một ít đồng oxit có tác dụng xúc tác cho sự phân huỷ của bạc halogenua dưới tác dụng của ánh sáng.

18. Giặt khô là gì?

Giặt khô là quá trình làm sạch quần áo bằng dung môi mà không cần sử dụng nước và chất tẩy rửa. Dung môi để giặt tốt quần áo là tetracloetylen. Việc giặt khô được tiến hành trong một ống hình trụ chuyển động đóng kín, dung môi được phun vào quần áo, sau đó dùng không khí nóng để sấy.

19. Vì sao nhiều loại quần áo bị co lại khi gặp nước?

Nguyên nhân thứ nhất liên quan đến cấu trúc và tính chất của các loại sợi dệt. Sợi len lông cừu có các vảy nhỏ hướng ngược chiều nhau, khi có các chuyển động tương đối gây sự ma sát giữa các sợi với nhau. Sợi len lông cừu dễ bị co khi ngâm nước và sau khi đã bị co thì khó phục hồi nguyên trạng. Sợi bông, sợi nhân tạo có tính co nước do trong phân tử có các nhóm ưa nước. Các phân tử trong vật liệu sợi này được sắp xếp ở trạng thái xốp, khe trống giữa các phân tử lớn và các phân tử nước dễ dàng xen vào. Khi đó có sự nở to dọc theo chiều dài của sợi làm cho sợi to ra về chiều ngang và độ dài ngắn lại. Khi để khô xuất hiện sự co ngắn rõ rệt.

Nguyên nhân thứ hai liên quan đến quá trình kéo sợi. Trong quá trình kéo sợi, dệt vải, nhuộm màu, sợi thường phải qua một số trạng thái kéo căng nên có sự biến dạng. Trong quá trình giặt bằng nước, sợi vải bị thấm ướt và có thể phục hồi, do đó mà co lại sau khi giặt.

20. Giải thích hiện tượng xù lông, vón cục trên sợi tổng hợp?

Các sợi tổng hợp có lực bám dính lẫn nhau nhỏ. Trong quá trình sử dụng, các loại vải bị co kéo, vò, xát, các sợi dệt có thể bị rời chuyển, trượt lên nhau làm xuát hiện các sợi lông mịn trên bề mặt vải. Các sợi lông nhỏ gần nhau khi bị ma sát sẽ xe lại kết hợp thành các sợi thô hơn, hình thành các cục hình cầu. Đồng thời khi bị ma sát, các sợi vải sẽ xuất hiện tĩnh điện và sẽ hút các hạt bụi và các sợi lông mịn. Do đó các hạt hình cầu nổi rõ, lớn lên và trở nên chắc hơn hình thành các nốt sần bám chắc vào vải.

21. Vì sao từ bột gạo không thể sản xuất được loại thức ăn xốp như bột mì?

Bột gạo có thành phần protein là 7-8%, trong đó chủ yếu là các protein tan trong nước. Bột mì có 8-15% protein, trong đó có đến 4/5 protein không tan trong nước. Khi nhào bột mì có thể dùng nước để rửa hết tinh bột để thu được một chất có tính dính, đàn hồi có thể kéo thành sợi nhỏ (mì cân, gân bột mì). Trong mì cân khô có đến 80% là các protein không tan trong nước. Khi nhào bột gạo thì không thể có “gân bột gạo”.

Tính đàn hồi của bột mì là do có chứa các protein không tan trong nước như protein keo, gluten. Trong đó có chứa thành phần aminoaxit systein có nhóm hydrosunfua -SH. Các nhóm này sẽ tạo liên kết đisunfua S-S kết nối giữa các phân tử protein thành chuỗi xích dài hơn.

22. Thực phẩm nở xốp (bỏng gạo, bỏng ngô…) được chế biến như thế nào?

Ngô hạt (gạo hạt) được đưa vào bên trong một bình bằng thép và được đóng kín lại. Gia nhiệt bằng ngọn lửa mạnh, nhiệt độ và áp suất trong bình thép tăng cao. Khi nhiệt độ và áp suất trong bình đạt đến nhiệt độ nhất định, nước trong hạt ngô (hạt gạo) đạt trạng thái quá nhiệt (trên 100oC). Hạt ngô (hạt gạo) trở nên hết sức mềm mại. Bờy giờ người ta mở nhanh nắp bình thép làm giảm áp suất đột ngột, phần nước trong hạt ngô (hạt gạo) nở mạnh làm cho hạt ngô (hạt gạo) nở to ra rất nhiều.

23. Tại sao thực phẩm nở xốp (bỏng gạo, bỏng ngô…) lại dễ được cơ thể hấp thụ, tiệu hoá?

Trước hết, thực phẩm nở to không chỉ thay đổi hình dáng, kích thước hạt mà còn thay đổi về cấu trúc bên trong. Trong quá trình nở to, các phần tinh bột có chuỗi liên kết dài, không tan trong nước bị cắt nhỏ thành loại tinh bột có mạch ngắn tan được trong nước là hồ tinh bột và đường. Các sản phẩm này dễ được cơ thể tiêu hoá, hấp thụ.

Thực phẩm qua quá trình làm nở to còn có lợi cho việc giữ gìn các sinh tố. Ví dụ với bỏng gạo, các sinh tố B1, B6 được bảo tồn có tỷ lệ tăng từ 1/5 đến 2/3 so với khi đem gạo nấu thành cơm.

Hơn nữa qua trình chế biến thực phẩm nở to được thực hiện ở nhiệt độ cao sẽ tiêu diệt hết vi khuẩn, phù hợp với yêu cầu vệ sinh.

24. Giấy gạo nếp có thể ăn được bọc ngoài một số loại kẹo, bánh thực ra được chế tạo từ cái gì?

Tuy gọi là giấy gạo nếp nhưng thực ra không phải chế tạo từ gạo nếp mà được làm bằng tinh bột khoai lang, tinh bột ngô, tinh bột tiểu mạch. Người ta đem tinh bột chế tạo thành bột nhão, loại bỏ các tạp chất, dùng nhiệt biến thành hồ, dùng máy để trải thành lớp mỏng, sấy sẽ tạo thành lớp màu trắng đục.

25. Sự đông của nước thịt và nước cá khi hạ nhiệt độ khác với sự đông của nước như thế nào?

Nước đông cứng lại khi hạ nhiệt độ xuống dưới 0oC. Nước cá, nước thịt khi được nấu đông không chỉ liên quan đến nhiệt độ mà còn liên quan đến các phản ứng hoá học. Thịt, cá được cấu tạo từ các protein có tổ chức dạng sợi tạo nên các bó sợi. Giữa các bó sợi được tổ chức liên kết bằng chất keo bền là các protein. Khi đun nóng chậm để tạo thành nước thịt, nước cá thì các dâuy chằng không hề thay đổi, còn các chất keo phản ứng với nước, phân giải tạo thành hệ keo động vật. Khi giảm nhiệt độ ( không cần đến 0oC), các chất keo sẽ đông cứng lại.

26. Vì sao khi rửa sạch, trứng tươi lại dễ bị hỏng?

Lớp vỏ trứng có chứa nhiều lỗ nhỏ. Bình thường, trên bề mặt quả trứng có phủ một lớp mỏng chất keo che kín các lỗ nhỏ trên bề mặt. Lớp keo này dễ hoà tan trong nước nên khi rửa trứng đã làm phá vỡ lớp màng này. Do đó, các vi khuẩn có hại có thể chui vào phá hoại trứng.

27. Vì sao rượu lại có thể làm mất mùi tanh của cá?

Cá tanh do có chứa trimetylamin và các chất dimetylamin và metylamin là những chất có mùi khó ngửi. Rượu có chứa cồn có khả năng hoà tan trimetylamin nên lôi nó đi, do đó làm mất mùi tanh của cá.

28. Năm vị của thực phẩm là ngọt, chua, đắng, cay, mặn, chát từ đâu mà có?

Vị mặn của thực phẩm chủ yếu do muối ăn (natri clorua) tạo nên. Ngoài ra cũng có thể do một số muối hữu cơ như natri malat, natri gluconat tuy nhiên vị mặn của chúng rất yếu.

Vị chua chủ yếu do axit cung cấp.

Vị ngọt của thức ăn chủ yếu từ nhóm hydroxyl. Nói chung có nhiều loại hợp chất trong phân tử có chứa càng nhiều nhóm hydroxyl thì vị càng ngọt.

Vị đắng thường do các thực vật đem lại: caphein trong cà phê; dịch lá chè, hạt chè…

29. Tại sao khi nấu chè đậu xanh, đậu đen không nên cho đường vào quá sớm?

Trong hạt đậu lượng nước ít có thể coi như một loại dung dịch có nồng độ lớn; lớp vỏ ngoài của hạt đậu như một màng bán thấm. Khi ngấm hạt vào nước và đun nóng sẽ phát sinh hiện tượng thẩm thấu mạnh. Nước sẽ xuyên qua lớp vỏ và đi sâu vào bên trong hạt đậu làm hạt đậu nở to, đậu được nấu nhừ. Nếu khi nấu lại cho đường vào quá sớm sẽ làm cho nồng độ dung dịch phía ngoài cao hơn trong hạt đậu nên nước không thấm từ ngoài vào được, thậm chí nếu nồng độ đường qua scao sẽ làm cho nước trong hạt đậu đã nở đi ngược trở lại ra ngoài. Do đó dù nấu lâu đến mấy đậu cũng khó nhừ.

30. Vì sao quả chưa chín vừa cứng, vừa chua lại vừa chát, nhưng quả chín vừa ngọt, vừa mềm, vừa thơm?

Trong quả xanh, hàm lượng các axit hữu cơ rất cao ví dụ axit tactric, axit xitric, axit axetic… Khi quả chín, các axit vị các chất kiềm trung hoà dần hoặc tác dụng với các loại rượu để tạo este nên nồng độ axit giảm. Đồng thời, hàm lượng đường trong quả cũng tăng dần. Do đó, quả chuyển từ chua sang ngọt.

Quả xanh hơi cứng do có nhiều nhựa, phần lớn chúng không tan trong nước. Trong quá trình quả chín, các loại nhựa chuyển hoá dần dần hoà tan trong nước làm cho quả cây trở nên mềm.

Quả xanh có vị chát chủ yếu do có nhiều axit tanin. Khi quả chín, axit này bị oxy hoá nên quả hết vị chát.

Quả xanh thường có màu xanh do có chứa diệp lục. Khi chín chất diệp lục bị phân huỷ và xuất hiện các sắc tố khác.

Quả chín có chứa nhiều đường có khả năng lên men tạo thành rượu. Rượu gặp các axit hữu cơ tạo thành các este làm cho quả chín có mùi hấp dẫn.

31. Vì sao thực phẩm đóng hộp lại có thể bảo quản được lâu?

Trong quá trình chế tạo đồ hộp, thực phẩm được gia công, diệt hết vi khuẩn sau đó được cho vào các hộp đã thanh trùng và được đóng kín. Do đó thực phẩm sau khi đóng hộp sẽ giữ được màu sắc, hương vị, đồng thời bảo quản được lâu.

32. Các chữ mạ vàng trên bìa sách có phải làm từ vàng thật không?

Các chữ mạ vàng hầu hết được chế tạo từ “vàng giả”. Vàng giả là hợp kim của đồng-kẽm được nghiền mịn rồi cho dầu sơn vào để tạo các chữ trên bìa.

33. Vì sao giấy để lâu bị ngả màu vàng?

Giấy được cấu tạo bao gồm các sợi xelulozơ khi để lâu trong không khí có thể bị oxi hoá bởi oxi của không khí. Ngoài ra ánh sáng mặt trời cũng có tác động đến giấy trong các phản ứng quang hoá với xelulozơ. Do đó khi bảo quản lâu thì giấy sẽ ngả màu vàng.

34. Vì sao khi trộn hai loại mực khác nhau thường xuất hiện kết tủa, thậm chí làm cho mực mất màu?

Các mực được chế tạo dưới dạng các dung dịch keo, ví dụ mực màu xanh đen thường chứa tanin-sắt (II) sunfat và các loại phẩm màu xanh. Trong các dụng dịch này đều có chứa các hạt keo có điện tích. Khi trộng hai loại mực khác loại sẽ có các hạt keo có điện tích khác nhau, các hạt keo tích điện trái dấu sẽ hút lẫn nhau tạo thành các hạt lớn hơn và xuất hiện kết tủa. Trong bình xuất hiện nhiều cặn, bút viết bị tắc mực và mực bị nhạt màu.

35. Xà phòng giặt, xà phòng thơm, xà phòng y dược khác nhau như thế nào?

Xà phòng giặt là muối natri của các axit béo bậc cao, ngaòi ra còn có thuỷ tinh nước và một số chất kiềm khác.

Xà phòng thơm có chứa trên dưới 80% các dầu béo cao cấp, một ít lượng các tinh dầu thơm, các hương liệu làm cho xà phòng có mùi thơm.

Xà phòng y dược có công năng diệt khuẩn và chữa bệnh. Ví dụ xà phòng lưu huỳn để chữa ghẻ, mụn nhọt; xà phòng benzen để trị nấm da, xà phòng phenol có tính sát trùng…

36. Vì sao không nên dùng xăng để rửa tay tuy nó có thể rửa sạch các vết dầu mỡ?

Xăng có thể rửa sạch các chất dầu mỡ nhưng đồng thời cũng làm mất lớp mỡ bảo vệ trên da, làm cho da tay khô ráp, nứt nẻ tạo điều kiện cho vi khuẩn xâm nhập. Ngoài ra, trong xăng còn chứa cả phenol, toluen và các hợp chất thơm khác gây độc hại cho có thể. Hơn nữa, xăng dễ bay hơi, nếu tiếp xúc nhiều gây ngộ độc.

37. Nước từ hoá là gì? Tại sao nước từ hoá lại có ích cho sức khoẻ, đặc biệt có thể chữa sỏi thận?

Nước do nhiều phân tử nước tập hợp lại mà thành, trong đó các phân tử nước tồn tại ở dạng kết hợp gồm 2, 3 hay nhiều phân tử. Dưới tác dụng của từ trường các phân tử nước tác nhau ra tồn tại ở dạng tự do. Do trong nước từ hoá các phân tử nước ở trạng thái tập hợp ít hơn nên dễ tiếp cận với các quá trình sống.

Các loại sỏi thận chủ yếu do canxi cacbonat và một số chất khác kết hợp tạo thành kết tủa. Các hạt to tích tụ lại thành sỏi thận. Do nước từ hoá dễ xâm nhập vào bên trong các vật rắn nên các hạt rắn sẽ không cứng và không lớn lên được và có thể bị vỡ ra và theo nước tiểu bài tiết ra ngoài.

38. Trong các trận bóng đá khi cầu thủ bị thương thường được chăm sóc bằng một loại thuốc phun lên vết thương. Thuốc đó chính là cloetan, vậy thì nguyên tắc giảm đau ở đây như thế nào?

Cloetan là hợp chất hữu cơ có nhiệt độ sôi thấp: 12,3oC. Khi phun cloetan vào da, nhiệt độ cơ thể làm cloetan bay hơi nhanh, làm cho da bị lạnh cục bộ và tê cứng. Do đó thần kinh cảm giác không truyền được cảm giác đau lên đại não. Đồng thời, do sự đông lạnh cục bộ khiến cho các huyết quản chõ bị thương co lại nên làm cho vết thườn ngừng chảy máu. Do vậy cloetan có thể làm giảm đau tạm thời.

39. Vì sao khi bị muỗi đốt nếu bôi vào vết muỗi đốt ít nước xà phòng sẽ cảm thấy bớt ngứa, xót?

Khi đốt muỗi tiết vào nốt đót một ít axit fomic. Axit fomic sẽ đi vào da thịt làm cho da thịt bị viêm, gây cảm giác đau, ngứa. Do đó nếu bôi một chút nước xà phòng có tính kiềm sẽ làm trung hoà lượng axit fomic nên sự tấy ngứa sẽ giảm nhẹ đi nhiều.

40. Vì sao khí đốt sản xuất từ các nhà máy lại có mùi hôi ?

Trả lời : Trong các nhà máy chế tạo khí đốt, sử dụng than đá để chế tạo khí đốt thành phần chủ yếu của khí đốt là Mêtan, hyđrô, cacbon monooxyt là chất khí cháy không màu sắc, mùi vị. Nhưng trong than đá lại chứa một lượng nhỏ chất hữu cơ chứa lưu huỳnh và phênol hai loại hợp chất này đều có mùi rất hôi, nhưng đối với một số loại khí đốt không mùi hoặc mùi quá nhẹ, người ta phải thêm một ít chất loại Mercaptan để tăng thêm mùi. Nhờ vậy khi khí đốt bị dò dỉ nó có thể được cảnh báo trước.

41. Vì sao thêm muối quá sớm đậu không nhừ ?

Trả lời : Trong đậu nành khô, nước rất ít. Khi nấu đậu nành nước thấm qua lớp vỏ đi vào bên trong hạt đậu làm hạt đậu nở to ra. Sau một thời gian nở to ra và nấu một thời gian các tế bào đậu bị vỡ và hạt đậu được nấu mềm ra. Nếu ta thêm muối vào thì nồng độ muối trong nước lớn hơn trong hạt đậu nên nước không thể thấm vaò hạt đậu, hạt đậu không chương ra và không nhừ được.

42. Tại sao gọi là kim loại đen, nó có màu đen không ?

Trả lời : Các kim loại đen không có màu đen, sắt kim loại, mangan tinh khiết có màu trắng bạc, crôm có màu trắng xám. Vì bề mặt của sắt bị gỉ, bao phủ bởi một lớp oxyt sắt từ ( Fe3O4) có màu đen nên người ta gọi sắt là kim loại đen.

43. Vì sao hơ con dao ướt lên ngọn lửa, con dao có màu xanh lam ?

Trả lời : Tại nhiệt độ cao sắt và nước tác dụng với nhau tạo nên oxyt sắt từ ( Fe3O4) lấp lánh màu lam, nó chính là lớp màng bảo vệ cho sắt khỏi bị gỉ và ăn mòn.

44. Vì sao dùng đồ bằng bạc đựng thức ăn, thức ăn không bị ôi ?

Trả lời : Khi bạc gặp nước, sẽ có một lượng nhỏ bạc đi vào nước thành ion. Ion bạc có tác dụng diệt khuẩn rất mạnh. Chỉ cần 2.10-10 gam bạc trong một lít nước cũng đủ diệt các vi khuẩn. Không cho vi khuẩn phát triển và thức ăn không bị ôi.

45. Vì sao các thanh kiếm cổ lại không bị gỉ ?

Trả lời : Thành phần của thanh kiếm chính là đồng thanh ( Hợp kim của đồng và thiếc ). Thiếc là một kim loại có khả năng chống ăn mòn rất tốt. Bề mặt của thanh kiếm đã qua xử lý đặc thù. Đó là sự lưu hoá bề mặt bởi lưu huỳnh hoặc các hợp chất của lưu huỳnh tác dụng với sắt làm cho bề mặt của thanh kiếm đẹp hơn và khả năng chống ăn mòn của thanh kiếm cũng tăng lên rất nhiều.

46. Vì sao bóng đèn điện để lâu lại bị đen ?

Trả lời : Dây tóc bóng đèn làm bằng wonfram có nhiệt độ nóng chảy hơn 3000oC ( 3308oC ). Khi sợi wonfram bị đốt đến sáng trắng một phần rất nhỏ wonfram trên bề mặt có thể bị bay hơi khi gặp thành thuỷ tinh lạnh của bóng đèn có thể bám chặt vào thuỷ tinh, dần dần bóng bị đen là nó sắp hỏng. Khi sơi wonfram bay hơi càng bé thì điện trở càng lớn làm nhiệt độ càng cao càng bốc hơi nhanh càng chóng hỏng.

47. Vì sao mực viết có màu xanh để lâu lại có mầu đen ?

Trả lời : Thành phần chủ yếu của mực xanh đen là sắt (II) tanat vốn không có mầu xanh hay mầu đen mà có mâù lục nhạt, người ta thêm một loại thuốc nhuộm màu xanh đó chính là mực xanh đen. Khi viết loại mực này lên giấy, sắt (II) tanat trong mực bị oxyhoa thành sắt (III) tanat là chất kết tủa có mầu đen.

48. Khi bảng hệ thống tuần hoàn ra đời có thể dự đoán chất mới, nguyên tố đầu tiên nào được dự đoán và được tìm ra nhờ sự dự đoán đó, ai tìm ra nó ?

Trả lời : Nguyên tố đó là Germani, nó có tên ban đầu là Ekasilic, người tìm ra là K. Winkler vào năm 1886, tên nguyên tố được đặt để tưởng nhớ đến nước Đức quê hương ông.

49. Bạn hãy cho biết nguyên tố nào được con người biết đến đầu tiên ?

Trả lời : Đó là bẩy nguyên tố mà con người biết từ xa xưa : vàng, bạc, đồng, chì, thiếc, sắt, thuỷ ngân.

50. Sơn chống cháy là gì ? Tại sao nó lại phòng cháy được ?

Trả lời : Muốn cho chất cháy bắt được lửa thì phải có hai điều kiện : Một là chất cháy phải tiếp xúc với lửa, hai là chất cháy phải đạt tới nhiệt độ bắt cháy. Sơn phòng cháy được sản xuất từ các loại nhựa khó cháy, có thêm một số chất ngừa cháy. Khi gặp hoả hoạn, lúc nhiệt độ xung quanh tăng quá cao, sơn phòng cháy sơn lên các đồ vật sẽ thoát ra một lượng cacbon đioxyt dày đặc và một số khí khác không nuôi dưỡng sự cháy, các chất khí sẽ nhanh chóng bao phủ các đồ vật, ngăn ngừa không cho oxy tiếp xúc với các vật thể là cho chất cháy thiếu oxy và đám cháy sẽ dần dần bị tắt.

51. Vỏ tầu vũ trụ làm bằng gì ? tại sao phải làm bởi vật liệu đó ?

Trả lời : Khi bay về tầu vũ trụ phải qua tầng khí quyển, do vận tốc lớn, ma sát có thể làm nhiệt độ vỏ tầu tăng lên hàng nghìn độ. Để đảm bảo an toàn vật liệu sử dụng để chế tạo vỏ phải đảm bảo chịu được nhiệt độ cao, không bị mềm khi gặp nhiệt độ cao, chịu được va đập, nhẹ. Loại vật liệu thoả mãn đó gồm : các hợp chất cacbua silic, nitrua silic, zirconi oxyt. Ngoài ra khi sử dụng các loại vật liệu này có thể sử dụng lại nhiều lần.

52. Vì sao khi đốt cồn, xăng thì cháy hết còn đốt gỗ, than thì còn tro ?

Trả lời : Xăng, cồn là những chất hữu cơ có độ thuần khiết cao, dễ cháy chúng chỉ cấu tạo bởi bởi các nguyên tố C, H, O khi cháy thành CO2, và H2O bay mất còn gỗ, than đá còn chứa các các tạp chất không cháy được như các khoáng, muối của silicat đó chính là tro sau khi đốt than, gỗ.

53. Chiếc “bình” nào có thể chứa được nhiều hiđrô cho tương lai ?

Trả lời : Hiđrô là nhiên liệu của tương lai, nhưng một trở ngại lớn nhất là lưu trữ nó như thế nào ? khí H2 có nhiệt độ hoá lỏng thấp ( -252,8oC) và việc hoá lỏng đó cần nhiều năng lượng và không an toàn. Người ta có thể sử dụng một số hợp kim của các kim loại đất hiếm như Lantan-Niken, Zirconi-Crôm …, để hấp phụ khí H2 vào đó thì một thể tích của hợp kim có thể hấp phụ lượng lớn hơn thể tích của H2 ở dạng lỏng.

54. Vì sao xăng chỉ cần châm lửa là cháy còn dầu hoả cần có bấc mới cháy được

Trả lời : Sự cháy phụ thuộc vào độ bắt lửa của vật liệu cháy. Xăng có nhiệt độ bắt lửa thấp, ngoài ra trong phân tử xăng số nguyên tử C nhỏ hơn 11 nên sự bốc hơi mạnh và trộn với không khí thành hỗn hợp cháy. Dầu hoả  nhiệt độ bắt lửa cao hơn, sự bay hơi của dầu kém hơn, không thể cháy khi châm lửa đựơc. Khi sử dụng bấc là chất rễ cháy, dầu sẽ theo các mao quản của bấc ngấm toàn bộ vào bấc đèn. Khi bấc cháy nhiệt độ xung quanh bấc vượt quá điểm bắt lửa của dầu làm cho dầu trên bề mặt bấc bắt đầu cháy. Dầu trên bề mặt bấc cháy hết thì dầu ở dưới lại ngấm lên theo các mao quản.

55. Vì sao quần áo có thể giặt khô, giặt khô được làm như thế nào ?

Trả lời : Giặt khô là không sử dụng nước, sử dụng một loại dung môi hữu cơ là tetracloetylen để tẩy các vết bẩn. Mọi công việc được điều khiển bằng máy móc sau khi được kiểm tra là quần áo đã sạch và hết dung môi máy giặt sẽ báo hiệu. Quần áo giặt khô vẫn giữ nguyên được hình dạng ban đầu.

56. Vì sao bánh mì có nhiều lỗ nhỏ ?

Trả lời : Khi làm bánh người ta thường nhào bột mì với một lượng con men giống nhất định. Men cái sẽ sinh sôi nảy nở rất nhanh chúng phân giải tinh bột thành đường glucô đồng thời giải phóng ra lượng CO2 lượng khí này bị nhiệt đốt nóng và nở ra làm cho bánh mì xốp. Ngoài ra người ta có thể tăng lượng khí bằng cách thêm bột nở thường là natri hiđrô cacbonat.

57. “Giấy gạo nếp”, hay giấy bọc ngoài kẹo bánh được làm từ gì ?

Trả lời : Chúng không làm từ gạo nếp, mà làm từ tinh bột khoai lang, tinh bột ngô, tinh bột tiểu mạch. Người ta đem chế tạo thành bột nhão, loại bỏ tạp chất dùng nhiệt chế tạo thành hồ, trải thành lớp mỏng sấy khô sẽ được giấy gạo nếp

58. Vì sao nước thịt cá lại đông lại khi nhiệt độ không quá thấp ?

Trả lời : Trong thịt, cá có prôtêin tổ chức thành các sợi chằng khi ta đun lửa nhỏ các dây chằng này không hề thay đổi, còn chất tạo keo sẽ phản ứng với nước tạo thành keo động vật.  ở nhiệt độ tương đối cao keo động vật tan trong nước khi nhiệt độ giảm xuống chất keo sẽ đông cứng lại.

59. Tại sao thịt muối lại có màu đỏ ?

Trả lời : Màu đỏ đó là do màu của tiết ( màu của myoglobin và hemoglobin ) là màu của muối phức Fe(II) nhưng nếu để một thời gian nó sẽ có mầu nâu mầu của Fe(III). Để giữ được mầu đỏ hấp dẫn người ta sử dụng các muối nitrat ( K, Na) khi muối thịt sẽ chuyển thành muối nitrit. Gốc nitrit dễ kết hợp với myoglobin thành hợp chất nitrit myoprotein rất bền có màu đỏ tươi.

60. Vì sao khi rửa sạch, trứng dễ bị hỏng

Trả lời : Lớp vỏ của quả trứng có một lớp màng là lớp keo che kín các lỗ nhỏ có trên bề mặt vỏ trứng. Khi bạn rửa lớp keo này bị hoà tan mất, lớp vỏ bảo vệ bị mất, các vi khuẩn có thể xâm nhập gây hỏng quả trứng.

61. Để loại bỏ mùi tanh của cá ta phải làm thế nào, tại sao ?

Trả lời : Trong cá chứa các amin như trimetylamin, dimetylamin, metylamin là những chất có mùi tanh, để khử mùi tanh ta chỉ việc loại bỏ các chất này. Trimetylamin rất khó thoát ra ngoài cá, nếu ta sử dụng một ít cồn có thể hoà tan nó và khi chiên cả cồn và trimetylamin sẽ bay hơi làm cá hết mùi tanh.

62. Vì sao có người uống ít người uống được nhiều rượu ?

Trả lời : Rượu có thành phần là cồn etylic. Cồn etylic vào cơ thể theo các biến đổi sau : đầu tiên nó biến thành aldehitaxetic nhờ men aldehit xúc tác tiến hành sau đó aldehit lai bị biến đổi thành các hợp chất khác, cuối cùng là cacbon dioxit. Mỗi giai đoạn đảm nhận bởi một loại men xúc tác. Nhưng quyết định là giai đoạn biến rượu thành anđêhít nếu quá trình này không kịp thì người sẽ bị say. Người uống nhiều hay ít là tuỳ vào lượng men aldehit có trong máu họ nhiều hay ít.

63. Đường đỏ biến thành đường trắng như thế nào ?

Trả lời : Khi sản xuất đường từ bất kì nguyên liệu nào ( mía, củ cải, thốt lốt) đều có màu đỏ, làm thế nào ta có thể có đường trắng. Đường đỏ là đường có lẫn các tạp chất có mầu khi loại bỏ các chất mầu này ta thu được đường trắng Người ta sử dụng than gỗ ( than hoạt tính) để hấp phụ hết chất mầu trong đường đỏ ta sẽ thu được đường trắng

64. Vì sao giấy để lâu lại chuyển thành màu vàng ?

Trả lời : Giấy được sản xuất từ xelulo khi được tẩy sẽ có màu trắng. Giấy có độ dai hay không dựa vào độ bền của sợi xenlulo. Khi để lâu, oxy của không khí có thể tác dụng với sợi xenlulo dần có mầu vàng, ngoài ra ánh sáng có thể tác dụng với sợi xenlulo dưới dạng các phản ứng quanh hoá có thể làm cho giấy trắng chuyển về trạng thái ban đầu là có mầu vàng.