Xác định thành phần và một số tính chất hóa lý của dung dịch tẩy xạ RDS 2000 - Nguyễn Văn Hoàng

Hóa học & Kỹ thuật môi trường N. V. Hoàng, Đ. X. Trường, N. K. H. Việt, “Xác định thành phần tẩy xạ RDS 2000.” 166 XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN VÀ MỘT SỐ TÍNH CHẤT HÓA LÝ CỦA DUNG DỊCH TẨY XẠ RDS 2000 Nguyễn Văn Hoàng*, Đỗ Xuân Trường, Nguyễn Khánh Hoàng Việt Tóm tắt: Bài báo giới thiệu kết quả phân tích xác định thành phần của chất tẩy xạ RDS 2000 được sản xuất bởi hãng Karcher/CHLB Đức. Bằng các phương pháp phân tích hóa lý hiện đại (IR, HPLC, LC/MS,), đã xác định được chất tẩy xạ RDS 2000 bao gồm 2 thành phần, trong đó, thành phần 1 là hỗn hợp của axit xitric trong hệ các chất hoạt động bề mặt không ion ankyl polyglucoside, có chiều dài mạch cacbon n=10-18 và bậc polyme hóa DP=1-2, dung dịch có tính axit mạnh (pH=1,9), độ nhớt động học cao (=5,46, ở 30oC) độ tạo bọt và độ ổn định bọt cao, tương ứng là 445 mL và 99,29%; thành phần 2 là dung dịch nước của natri xitrat và axit xitric, có tính kiềm yếu (pH=8,1). RDS2000 có khả năng tẩy rửa tốt, giá trị pH của dung dịch ổn định (xấp xỉ 4), ở nồng độ sử dụng (0,5-5%). Từ khóa: Xác định thành phần; Tính chất hóa lý; Dung dịch RDS 2000. 1. MỞ ĐẦU Tẩy xạ cho vũ khí, trang bị kỹ thuật sau khi bị nhiễm bụi bẩn phóng xạ là yêu cầu bắt buộc để đảm bảo an toàn cho người sử dụng. Hiện nay, có thể sử dụng nhiều phương pháp khác nhau để tẩy xạ bề mặt như: phương pháp cơ học (quét, kỳ cọ, lau chùi bằng giẻ,), phương pháp hóa học (sử dụng các chất tẩy xạ) [1]. Để có hiệu quả cao thường kết hợp cả 2 phương pháp này. Trên thế giới, các nhà khoa học đã nghiên cứu phát triển nhiều loại chất tẩy xạ sử dụng để tẩy xạ cho các bề mặt khác nhau như: RDS2000, EAI Rad-Release I, EAI Rad-Release II, Intek ND-75, Intek ND-600, Intek LH-21, SDF, UDF [3-5]. Trong đó, RDS 2000 là chất tẩy xạ dạng lỏng gồm hai thành phần, do hãng Karcher/CHLB Đức chế tạo, đã được nhiều quốc gia sử dụng [3, 5]. Ở nước ta, RDS 2000 mới được nhập ngoại để sử dụng thay thế cho chất tẩy xạ CF-2, CF-2U (Liên Xô cũ). Tuy nhiên, thành phần và một số tính chất hóa lý đặc trưng của dung dịch RDS 2000 hiện không được nhà sản xuất công bố, gây khó khăn trong việc lựa chọn thiết bị tiêu tẩy, đặc biệt là các thiết bị đa dụng và trang thiết bị bảo đảm an toàn hiện đang được trang bị trong quân đội. Bài báo này trình bày một số kết quả nghiên cứu về thành phần chính và đặc tính hóa lý của chất tẩy xạ RDS 2000. 2. NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Nguyên vật liệu và hóa chất Chất tẩy xạ RDS 2000 (Karcher/CHLB Đức); axit xitric, độ tinh khiết ≥ 99% (Ấn Độ), natri xitrat, độ tinh khiết ≥ 99% (Trung Quốc), các hóa chất khác dùng để phân tích: axetonitril (Merck), KBr (dùng cho phân tích IR, Sigma), metanol (Merck), nước cất hai lần. 2.2. Thiết bị Máy quang phổ hồng ngoại TENSOR II, Nicolet 670 FT-IR (Mỹ); Thiết bị sắc ký lỏng hiệu năng cao Agient 1100, detecter DAD, cột tách Zorbax (Mỹ); Thiết bị sắc ký lỏng khối phổ LC-MSD-Trap-SL Agilent 1100 (Mỹ); Máy đo pH Mettler – Toledo AG (Thụy Sỹ) và một số thiết bị thí nghiệm thông dụng khác. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 56, 08 - 2018 167 2.3. Phương pháp nghiên cứu 2.3.1. Phương pháp phân tích xác định một số thành phần chính của RDS 2000 Quá trình phân tích định tính các cấu tử trong thành phần 1 (TP-1) và thành phần 2 (TP-2) của chất tẩy xạ RDS 2000 được thực hiện bằng các kỹ thuật phân tích hiện đại: - Phương pháp quang phổ hồng ngoại (IR): Sử dụng kỹ thuật ép viên KBr hoặc tạo màng trên cuvet KBr, dải đo 4000-400cm-1, số quét 32. - Phương pháp sắc ký lỏng khối phổ (LC/MS): Sử dụng hệ dung môi MeOH:H2O chạy gradien MeOH từ 15% đến 100% trong thời gian 35 phút. Tốc độ dòng 0,6 ml/phút, cột RP-C18 kích thước 3,0 x 150 mm, cỡ hạt 5m. Thông số MS: Nguồn ion hóa ESI, nhiệt độ nguồn 350 oC, điện thế nguồn 3,5 kV, chế độ chạy Full Scan, mod positive. - Phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC): dải quét 190-800nm, tín hiệu đo 220nm; tỷ lệ pha động (theo thể tích): metanol/nước: 30/70, tốc độ dòng 0,5ml/ phút, thể tích bơm 5L. 2.3.2. Phương pháp xác định một số tính chất hóa lý của RDS 2000 Để xác định một số tính chất hóa lý đặc trưng của RDS 2000, đã sử dụng các phương pháp sau: - Phương pháp đo pH: Các phép đo pH được thực hiện theo TCVN 6492:2011 [6]. - Phương pháp xác định độ tạo bọt: Độ tạo bọt và ổn định bọt của sản phẩm RDS 2000 được xác định theo Tiêu chuẩn ngành 64 TCN 108:1998 [7]. - Phương pháp xác định độ nhớt: Độ nhớt của các thành phần TP-1 và TP-2 của dung dịch tẩy xạ RDS-2000 được xác định theo Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 3171:2011 (ASTM D 445 - 11) [8]. 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Phân tích thành phần của chất tẩy xạ RDS 2000 3.1.1. Xác định các nhóm chức đặc trưng của RDS2000 bằng phổ hồng ngoại Kết quả phân tích phổ hồng ngoại của các thành phần RDS 2000 cho thấy: trên phổ hồng ngoại TP-1 (hình 1a) xuất hiện các pic đặc trưng bao gồm: 3443cm-1 (dao động hóa trị của nhóm -OH), 2927 cm-1 (dao động hóa trị của –CH), 1726 cm-1 (dao động của nhóm –C=O axit cacboxylic), 1636 cm-1 (dao động của nhóm -C=O este hoặc muối cacboxylat), 1400 cm -1 (dao động biến dạng của nhóm –OH) và 1226 cm-1 (dao động của nhóm C-O), do đó TP-1 của RDS 2000 có thể là hỗn hợp của nhiều chất khác nhau, chứa các nhóm chức rượu, axit, este hoặc muối của axit hữu cơ. Trên phổ hồng ngoại hình 1b xuất hiện các pic 1664 cm-1; 1610 cm-1 đặc trưng cho dao động của nhóm -C=O muối cacboxylat, và có độ tương đồng trên 85% so với phổ hồng ngoại của natri xitrat, do đó TP-1 có thể chứa axit xitric. Phổ hồng ngoại của phần dung dịch sau kết tinh (hình 1c) có độ tương đồng khá cao so với phổ hồng ngoại của ankyl polyglucoside, đây là chất hoạt động bề mặt với đầu ưa nước là các phân tử gluco, đuôi ankyl có chiều dài mạch cacbon trong khoảng từ C8 đến C14. Phổ hồng ngoại của TP-2 sau làm khô tự nhiên khá giống với chất kết tinh trong TP-1 (sau trung hòa đến pH=8), độ tương đồng đối với phổ hồng ngoại của natri xitrat khoảng 92%. Hóa học & Kỹ thuật môi trường N. V. Hoàng, Đ. X. Trường, N. K. H. Việt, “Xác định thành phần tẩy xạ RDS 2000.” 168 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 2000 50010001500250030003500 1 1 50 ,7 91 2 26 ,0 1 1 0 31 ,2 6 6 4 4, 5 7 1 4 00 ,3 5 1 6 36 ,2 5 1 7 26 ,9 2 2 0 47 ,7 5 2 9 27 ,5 9 3 4 43 ,6 9 A b so rb a n ce Wavenumber (cm -1 ) 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 8 3 8 ,6 0 9 2 0 ,4 7 8 9 4 ,6 8 7 5 0 ,4 1 6 0 1 ,9 9 1 0 7 9 ,8 9 1 1 3 6 ,4 41 2 6 1 ,8 6 1 2 9 7 ,2 8 1 4 0 5 ,6 6 1 4 7 7 ,6 0 1 6 1 0 ,1 4 1 6 6 4 ,8 6 3 1 9 1 ,3 2 3 2 5 7 ,7 5 3 4 0 1 ,1 3 5 1 2 ,8 7 A b so rb a n ce Wavenumber (cm -1 ) a) b) 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 6 2 5 ,6 2 8 4 1 ,2 4 9 1 2 ,3 5 1 0 2 8 ,3 8 1 1 4 9 ,8 9 1 2 7 4 ,1 5 1 3 9 8 ,9 9 1 5 8 5 ,8 7 2 8 5 6 ,3 4 2 9 2 5 ,9 6 3 3 6 4 ,6 Wavenumber (cm -1 ) A b s o rb a n c e 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 50010001500200025003500 3000 9 0 5 ,2 2 1 0 0 1 ,4 2 6 4 2 ,2 0 1 1 3 8 ,4 41 2 7 7 ,0 4 1 3 9 7 ,2 6 1 5 8 6 ,2 1 3 4 9 4 ,9 5 3 4 7 9 ,8 2 A b s o rb a n c e Wavenumber (cm -1 ) c) d) Hình 1. Phổ hồng ngoại của TP-1 và TP-2 của chất tẩy xạ RDS 2000. a) TP-1; b) Phần kết tinh sau khi trung hòa TP-1 bằng NaOH đến pH = 8 và làm khô tự nhiên ở nhiệt độ phòng; c) Phần không kết tinh của TP-1 khi trung hòa bằng NaOH đến pH= 8; d) TP-2 (sau làm khô tự nhiên ở nhiệt độ phòng). 3.1.2. Xác định các cấu tử có trong TP-1 và TP-2 bằng HPLC Để xác định số cấu tử có trong TP-1 và TP-2, đã tiến hành phân tích trực tiếp hoặc pha loãng bằng nước cất TP-1 và TP-2 của RDS 2000 trên thiết bị sắc ký hiệu năng cao. Các kết quả phân tích được dẫn ra trên hình 2. Hình 2. Sắc đồ HPLC của TP-1 và TP-2 a) Sắc đồ HPLC của TP-1 (pha loãng 10 lần bằng nước cất); b) Sắc đồ HPLC của TP-2. a) b) Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 56, 08 - 2018 169 Trên sắc đồ HPLC của TP- 2 (hình 2b) thu được pic duy nhất tại thời gian lưu 2,1 phút, trùng với sắc đồ HPLC của natri xitrat. Trên sắc đồ LC của TP-2 (hình 3b) xuất hiện 2 pic tại thời gian lưu 3,9 và 7,8 phút. Từ phổ khối có thể nhận định pic ứng với thời gian lưu 7,8 phút là axit xitric với các mảnh phổ đặc trưng 191 và 111; pic ứng với thời gian lưu 3,9 phút là natri xitrat, với các mảnh phổ đặc trưng 248, 112. Như vậy, có thể khẳng định TP-2 của RDS 2000 là dung dịch đệm xitric- xitrat. a) b) Hình 3. Sắc đồ LC/MS của TP-2 a) Sắc đồ LC của TP-2. b) Phổ khối (m/z) của TP-2 tương ứng với thời gian lưu 7,8 phút. Trên sắc đồ HPLC của TP-1 (hình 2a) xuất hiện 05 píc lần lượt tại thời gian lưu 2,2 phút; 3,5 phút; 4,6 phút; 4,9 phút và 5,5 phút. Trong đó, diện tích píc có thời gian lưu 2,2 phút lớn nhất, tỷ lệ diện tích píc chiếm khoảng 80% (tín hiệu đo 220 nm). Kết quả phân tích phổ UV của các chất tương ứng với thời gian lưu lưu 2,2 phút; 3,5 phút; 4,6 phút; 4,9 phút và 5,5 phút được dẫn ra trên hình 4 Hình 4. Phổ UV tương ứng với các thời gian lưu trên sắc đồ HPLC của TP-1 a) 2,2 phút ; b) 3,5 phút; c) 4,6 phút; d) 4,9 phút; e) 5,5 phút. Từ hình 4 có thể nhận thấy dạng phổ của các chất tương ứng với các pic ở thời gian lưu 3,5 phút; 4,6 phút; 4,9 phút và 5,5 phút trên sắc đồ HPLC của TP-1 có dạng giống nhau và cùng có cực đại hấp thụ tại bước sóng 225 nm, trong khi đó chất ứng với thời gian lưu 2,2 phút trên sắc đồ HPLC của TP-1 không xuất hiện cực đại hấp thụ trong vùng tử ngoại- khả kiến và trùng với thời gian lưu của axit xitric chuẩn. Như vậy, có thể dự đoán các chất tương ứng với các pic ở thời gian lưu 3,5 phút; 4,6 phút; 4,9 phút và 5,5 phút trên sắc đồ HPLC của Thành phần 1 RDS 2000 có cùng dạng, là họ chất ankyl polyglucoside như đã chỉ ra ở trên. Kết quả phân tích khối phổ (MS) của TP-1, sau khi loại bỏ thành phần axit xitric, thu được phổ khối của các chất có số khối từ 350 đến trên 500. Kết hợp với kết quả phân tích a) b) ) c) d) e) Hóa học & Kỹ thuật môi trường N. V. Hoàng, Đ. X. Trường, N. K. H. Việt, “Xác định thành phần tẩy xạ RDS 2000.” 170 phổ hồng ngoại có thể nhận thấy trong TP-1 của RDS 2000, ngoài axit xitric còn lại là hỗn hợp các ankyl polyglycoside tồn tại ở 2 dạng: CH3(CH2)nO(C6H10O5)DP=1H, CH3(CH2)nO(C6H10O5)DP=2H, có n biến đổi từ 9 đến17 và bậc polyme hóa DP=1-2. 3.2. Xác định một số tính chất hóa lý của RDS 2000 Kết quả xác định độ nhớt động học, đánh giá pH, khả năng tạo bọt và ổn định bọt của RDS 2000 được trình bày trong bảng 1. Bảng 1. Độ nhớt động học, pH và độ tạo bọt của RDS 2000. STT Tên mẫu Độ nhớt động học (cSt) pH V1 (mL) V (mL) V2 (mL) X (%) 1 TP1 5,46 1,93 945 445 938 99,29 2 TP2 2,38 8,10 500 0 500 - 3 2TP1 + TP2 - 3,65 935 435 929,17 99,38 4 0,5% (2TP1 + TP2) - 3,98 - - - - 5 1% (2TP1 + TP2) - 3,97 - - - - 6 2% (2TP1 + TP2) - 3,94 - - - - 7 4% (2TP1 + TP2) - 3,92 - - - - 8 5% (2TP1 + TP2) - 3,91 - - - - Ghi chú: 2TP1+TP2: dung dịch pha với tỷ lệ TP-1/TP-2= 2/1 (về thể tích) 0,5%; 1%; 2%, 3%, 4%, 5%: nồng độ sử dụng của RDS 2000 pha trong nước Từ kết quả bảng 1 nhận thấy độ nhớt động học của TP-1 cao hơn rất nhiều so với TP-2 và đều cao hơn rất nhiều so với nước (0,8 cSt) do các thành phần của RDS2000 chứa nồng độ cao của các chất axit xitric, xitrat và các ankyl polyglycoside tan trong nước. TP-1 có môi trường axit mạnh, trong khi TP-2 thể hiện tính kiềm yếu. Khi pha loãng dung dịch 2TP1/TP2 ở nồng độ 0,5-5% (pha loãng 20-200 lần) pH của dung dịch hầu như không thay đổi (xấp xỉ 4), do tác dụng của hệ đệm xitric-xitrat. Chất tẩy xạ RDS 2000 có độ tạo bọt tốt, độ cao cột bọt đạt 445 mL đối với TP-1 và 435 mL đối với 2TP-1+TP-2 với độ ổn định bọt lần lượt là 99,29% và 99,38%. Điều này chứng tỏ RDS 2000 là một chất có khả năng thấm ướt và tẩy rửa tốt. 4. KẾT LUẬN Trên cơ sở sử dụng các phương pháp phân tích hiện đại như: IR, LC-MS, HPLC, đã xác định được các chất chính trong dung dịch RDS-2000, trong đó, thành phần 1 là hỗn hợp của axit xitric trong hệ các chất hoạt động bề mặt không ion ankyl polyglucoside, có chiều dài mạch cacbon n=10-18 và bậc polyme hóa DP=1-2, dung dịch có tính axit mạnh (pH=1,9), độ nhớt động học cao (=5,46 cSt ở 30oC) độ tạo bọt và độ ổn định bọt cao, tương ứng là 445 mL và 99,29%; Thành phần 2 là dung dịch nước của natri xitrat và axit xitric, có tính kiềm yếu (pH=8,1). RDS 2000 có khả năng tẩy rửa tốt, giá trị pH của dung dịch ổn định (xấp xỉ 4) ở các nồng độ sử dụng (0,5-5%). Do đó, để tẩy xạ bằng dung dịch RDS-2000 có thể sử dụng các thiết bị tiêu tẩy thông dụng như: bình tiêu độc đeo lưng, xe ARS-14, bộ DK-4, DK-4K, Sanijet, MPDS và các thiết bị tương tự. Lời cảm ơn: Công trình này được hoàn thành với sự hỗ trợ kinh phí từ Đề tài thuộc Chương trình KC.AT năm 2016: "Nghiên cứu, xây dựng qui trình công nghệ chế tạo chất tẩy xạ, trên cơ sở chất hoạt động bề mặt và phức chất vòng càng, phỏng theo mẫu RDS- 2000, dùng cho vũ khí trang bị". Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 56, 08 - 2018 171 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Nguyễn Xuân Bào, Vũ Thanh Bình, “Chất và dung dịch tiêu độc, tẩy xạ, diệt trùng”, NXB Quân đội nhân dân Việt Nam (2007), tr. 25. [2]. Hồ Viết Quý, “Các phương pháp phân tích công cụ trong hóa học hiện đại”, Nhà xuất bản đại học sư phạm (1998), tr. 229-487. [3]. John Drake, “Evaluation of nine chemical-based technologies for removal of radiological contamination from concrete surfaces”, U.S. Environmental Protection Agency (EPA) (2011), pp. 3. [4]. John Drake, “Decontamination of cesium, cobalt, strontium, and americium from porous surfaces”, United States Environmental Protection Agency Research Triangle Park, NC27711 (2013), pp. 7. [5]. Rick Demmer, John Drake, Ryan James, “Understanding mechanisms of radiological contamination”, Phoenix, Arizona, USA (2014), pp. 7-8. [6]. Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 6492:2011 (ISO 10523:2008), “Chất lượng nước – Xác định pH”, Bộ Khoa học Công nghệ và Môi trường (2011). [7]. Tiêu chuẩn Việt Nam 64 TCN 108:1998, “Chất tẩy rửa tổng hợp kem giặt tổng hợp- Phương pháp thử”, Bộ Khoa học Công nghệ và Môi trường (2017). [8]. Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 3171:2011 (ASTM D 445 -11), “Chất lỏng dầu mỏ trong suốt và không trong suốt – Phương pháp xác định độ nhớt động học và tính toán độ nhớt động lực”, Bộ Khoa học Công nghệ và Môi trường (2011). ABSTRACT ANALYSIS OF THE COMPOSITIONS, AND PHYSICOCHEMICAL PROPERTIES OF RDS 2000 SOLUTION In this paper, analysis results of the composition of RDS 2000 agent, produced by Karcher/Germany are presented. By means of modern physicochemical methods (IR, HPLC, LC/MS, ...), the RDS 2000 solution has been identified as consisting of two components, in which component 1 is a mixture of citric acid in the system non- ionic surfactants, alkyl polyglucoside, with a carbon chain length of 10-18 and the degree of polymerisation DP=1-2, in a strongly acidic medium (pH = 1.9), with high kinematic viscosity ( = 5.46 cSt at 30 °C), high foaming and foam stability, respectively 445 mL and 99.29%; component 2 is aqueous solution of sodium citrate and citric acid, with weak alkalinity (pH = 8.1). RDS 2000 has good cleansing ability and the pH value of solution is stable (approx. 4) in the range of 0.5 to 5% concentration. Therefore, for decontamination with RDS-2000 solution, common devices, such as backpack, ARS-14, DK-4, DK-4K, Sanijet, MPDS and the same devices can be used. Keywords: Composition analysis; Physicochemical properties; RDS 2000 solution. Nhận bài ngày 10 tháng 4 năm 2018 Hoàn thiện ngày 24 tháng 4 năm 2018 Chấp nhận đăng ngày 10 tháng 8 năm 2018 Địa chỉ: Viện Công nghệ mới/Viện Khoa học và Công nghệ quân sự. * Email: hoang12978@yahoo.com.vn.