Đặt vấn đề Ở nƣớc ta, khi các ngành công nghiệp ngày càng phát triển trong đó các ngành công nghiệp nhƣ các nhà máy lọc dầu, hóa dầu và các nhà máy gốm sứ, các thuốc trừ sâu, dƣợc phẩm … đã làm t ng lƣợng nƣớc thải có phenol làm ảnh hƣởng tới hệ sinh thái và sức khỏe của con ngƣời. Vì vậy, việc chế tạo ra giấy chỉ thị màu sinh học để xác định nhanh phenol nhằm ảo vệ sức khỏe cho cộng đồng là rất cần thiết. Việc chế tạo giấy chỉ thị màu sinh học xác định phenol trong nƣớc thải công nghiệp sử dụng đầu dò enzyme tyrosinase để tìm ra một giải pháp xác định phenol đơn giản, nhanh chóng, không tốn kém, thân thiện với môi trƣờng và có thể áp dụng trong chẩn đoán, nƣớc thải công nghiệp và các l nh vực khác đang đƣợc quan tâm nghiên cứu. Gần đây cảm iến sinh học trên giấy để xác định một số chất trong môi trƣờng đã chứng tỏ là một phƣơng pháp nhanh, hiệu quả rẻ tiền, thao tác đơn giản, sử dụng các công cụ IT nhƣ Smartphone đƣợc ứng dụng và nghiên cứu rất mạnh mẽ.
Nghiên cứu này tập trung vào việc khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng tới việc chế tạo chỉ thị màu sinh học để xác định phenol trong nƣớc thải. Mục tiêu nghiên cứu Mục đích của đề tài là nghiên cứu giấy chỉ thị màu (CTM) xác định phenol trong nƣớc thải công nghiệp. Nhiệm vụ của đề tài gồm có: Nghiên cứu chế tạo giấy chỉ thị sinh học sử dụng máy in phun thƣơng mại để xác định phenol trong nƣớc thải công nghiệp với đầu dò sinh học tyrosinase (TYR) đƣợc cố định trên ề mặt giấy ằng hệ polyme phức hợp nano chitosan (nCTS)/alginate natri. Sử dụng các phƣơng pháp hóa lý hiện đại nhƣ FT-IR, SEM, DLS, GPC, XRD để xác định cấu trúc, hình thái của COS, nCTS và giấy CTM đã đƣợc chế tạo; 1 Áp dụng chế tạo giấy CTM đã đƣợc chế tạo xác định phenol trong nƣớc thải công nghiệp có tham chiếu với kết quả phân tích của một cơ sở phân tích uy tín nhƣ CASE.
Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Đối tƣợng nghiên cứu: phenol trong nƣớc thải công nghiệp nhƣ nƣớc thải của nhà máy giấy. Phạm vi nghiên cứu: giấy CTM đƣợc chế tạo từ giấy lọc và đầu dò sinh học TYR đƣợc cố định trên ề mặt giấy ằng hệ polyme phức hợp nCTS/ALG. Cách tiếp cận và phƣơng pháp nghiên cứu Cách tiếp cận: thông qua tài liệu sách, áo, tạp chí trong và ngoài nƣớc. Phƣơng pháp nghiên cứu: Nghiên cứu chế tạo giấy chỉ thị màu sinh học theo trật tự sau: Tổng quan tài liệu về TYR, COS, nCTS; Chế tạo COS, nCTS; Chế tạo giấy CTM; Xác định các đặc trƣng hình thái và cấu trúc của vật liệu ằng phƣơng pháp: SEM, FT-IR, GPC, XRD, DLS; Khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng đến việc pha chế các dung dịch in phun; Khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng đến việc chế tạo giấy chỉ thị màu sinh học nhƣ: nồng độ, thể tích, số lớp của từng hóa chất phủ, nhiệt độ, thời gian ổn định cấu trúc và các yếu tố ảnh hƣởng đến điều kiện phản ứng; Xác định các đặc trƣng hình thái và cấu trúc của giấy CTM ằng phƣơng pháp: SEM, hàm lƣợng tro, FT-IR; Thẩm định giá trị sử dụng của phƣơng pháp giấy CTM xác định phenol trong nƣớc thải công nghiệp sử dụng tiêu chuẩn ISO/IEC 17025:2017; Ứng dụng giấy chỉ thị màu sinh học đã đƣợc chế tạo để xác định phenol trong nƣớc thải công nghiệp.
Ý nghĩa thực tiễn của đề tài Giấy CTM xác định phenol trong nƣớc thải công nghiệp dựa trên việc sử dụng các công cụ IT hàng ngày nhƣ smartphone là một phƣơng pháp hiệu quả nhanh, rẻ tiền, thân thiện với môi trƣờng, có thể mang xách, chế tạo và vận hành nhanh chóng, đơn giản sẽ góp phần quan trắc, phát hiện xử lý kịp thời phenol có trong nƣớc thải công nghiệp ảo vệ sức khỏe con ngƣời và hệ sinh thái. 3 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan về phenol 1.1 Giới thiệu chung về phenol Phenol có công thức C6H5OH và có các tên gọi nhƣ phenol, acid phenylic, carbolic acid, acid phenic, hydroxybenzene. Phenol có công thức cấu tạo nhƣ sau: Phenol là một chất rắn, không màu ở nhiệt độ phòng và áp suất thƣờng. Phenol có mùi đặc trƣng, nóng chảy ở 43°C và sôi ở 182°C.
Khi tiếp xúc với không khí và ánh sáng, phenol chuyển nhanh sang màu hồng hoặc đỏ do phenol rất dễ phản ứng oxy hóa với một số tạp chất còn lại trong quá trình sản xuất hoặc lƣu trữ nhƣ sắt, đồng và oxy trong không khí. Mặc dù có khả n ng tạo liên kết hydro với nƣớc nhƣng phenol tan ít trong nƣớc lạnh (9,5g/100g nƣớc ở 25°C) vì gốc phenyl (C6H5-) khá kỵ nƣớc. Tuy nhiên, phenol tan vô hạn trong nƣớc nóng ở nhiệt độ ≥ 70°C. Phenol có thể ị phân hủy trong không khí khoảng 1-2 ngày nhƣng có thể tồn tại trong nƣớc một tuần hoặc lâu hơn.
Trong đất, phenol ị phân hủy ởi vi khuẩn hoặc các vi sinh vật khác. Phenol đƣợc sản xuất trong công nghiệp chủ yếu ằng các phƣơng pháp oxy hóa cumen. Ngoài ra một số phƣơng pháp khác cũng đƣợc sử dụng để sản xuất phenol nhƣ thủy phân chloro enzene, phƣơng pháp kiềm chảy và chƣng cất than đá. Thủy phân chloro enzene là phƣơng pháp điều chế phenol qua hai giai đoạn: chlor hóa enzene thành chloro enzene sau đó thủy phân chloro enzene ằng dung dịch 4 NaOH đậm đặc ở nhiệt độ và áp suất cao.
Phƣơng pháp chƣng cất nhựa than đá sử dụng phân đoạn có nhiệt độ sôi khoảng 170-240 (°C) để tách phenol ra khỏi hỗn hợp các hydrocac on ằng dung dịch NaOH tạo ra muối phenolat tan trong nƣớc. Sau đó sục khí CO2 vào để hoàn nguyên phenol. Điều chế phenol trong phòng thí nghiệm ằng phản ứng thủy phân dung dịch muối diazonium trong môi trƣờng acid ở nhiệt độ 40-50 (°C).2 Tính chất hóa học của phenol Các phản ứng hóa học của phenol chủ yếu xảy ra trên nhóm chức hydroxyl (cắt đứt nối Ar-OH hay ArO-H) và trên nhân hƣơng phƣơng dƣới ảnh hƣởng của nhóm hydroxyl [1] [2]. Phenol có tính acid mạnh hơn nƣớc nên đƣợc gọi là acid phenic vì nó có thể cho proton H+ để tạo thành ion phenolat ền do có hiệu ứng điện tử liên hợp trên vòng enzen.
Tuy nhiên tính acid của phenol yếu (Ka = 10-10) mặc dù mạnh hơn alcol nhƣng lại nhỏ hơn so với acid acetic. Phenol tác dụng với kim loại kiềm nhƣ Na, K hay dung dịch NaOH loãng tạo ra muối phenolat tan trong nƣớc. Phenol không tác dụng với NaHCO3. 5 Liên kết C−O rất ền nên phenol không phản ứng ester hóa trực tiếp với acid hữu cơ.
Để điều chế ester của phenol ngƣời ta phải dùng dẫn xuất của acid cac oxylic nhƣ chlorua acid RCOCl, anhydride acid RCOOCOR vì khả n ng phản ứng của các dẫn xuất này cao hơn acid. Phenol và các hợp chất phenol phản ứng với dung dịch FeCl3 tạo ra phức có màu đặc trƣng do đó phản ứng này thƣờng đƣợc dùng để nhận iết hoặc loại ỏ phenol và các hợp chất phenol trong nƣớc thải [3], [4], [5]. Phản ứng thế vào nhân enzen của phenol đƣợc định hƣớng ở vị trí o- và p- do đó phenol phản ứng với dung dịch rom xảy ra ngay ở nhiệt độ thƣờng tạo ra 2,4,6- tri romo phenol kết tủa trắng. Phản ứng cộng của phenol với aldehid hoặc ketone xảy ra dễ dàng trong môi trƣờng az.
Sản phẩm là hỗn hợp o- và p- với aldehid. Ở nhiệt độ cao và môi trƣờng az, phenol đồng trùng ngƣng với fomadehit tạo ra polyphenolfomandehit là một polyme đƣợc sử dụng làm keo dán: 6 Phenol và các hợp chất phenol dễ dàng tham gia phản ứng oxy hóa với nhiều tác chất oxy hóa khác nhau nhƣ K2Cr2O7, Na2Cr2O7, Ag2O/C2H5OH, … để tạo thành benzoquinon. Ngoài ra các hợp chất này còn tham gia phản ứng oxy hóa với enzyme TYR tạo các quinone có màu đặc trƣng do đó phản ứng này đƣợc sử dụng nhiều để nhận iết và định lƣợng các hợp chất polyphenol hay các phenolic ằng phƣơng pháp trắc quang.3 Sản xuất và sử dụng phenol Phenol là một trong những chất đƣợc sử dụng rộng rãi nhất trong các hợp chất hữu cơ và là nguyên liệu cơ ản cho tổng hợp hữu cơ của các ngành sản xuất nông nghiệp, hóa dầu, dƣợc phẩm (aspirin), thuốc trừ sâu (chất diệt cỏ dại và kích thích tố thực vật (2,4-D là muối natri của 2,4-dichlorophenoxyacetic acid), nhựa phenolic, phenol formaldehide, epoxy, polycar onate, isphenol A, caprolactam, các sản phẩm khác là alkylphenols, xylenol, cresol và acid adipic, sản xuất vải (polyamide), thuốc nhuộm, chất nổ (acid picric), chất hoạt động ề mặt, chất kết dính, chất ọt, chất nhũ hoá, cao su, …. và các ứng dụng khác nhƣ sản xuất sơn, dƣợc phẩm, thuốc nhuộm, thuốc thử trong phòng thí nghiệm, thuốc trừ sâu và thuốc khử trùng thông thƣờng.
7 Hai công dụng chính của phenol là làm nguyên liệu sản xuất isphenol A (35%) và sản xuất nhựa phenolic (34%) [6]. Các công dụng khác ao gồm sản xuất caprolactam (15%), anilin, (5%), alkylphenol (5%), xylenols (5%) và các hợp chất khác (1%). Từ phenol có thể điều chế ra các hợp chất chống oxy hóa dùng ảo quản các sản phẩm thực phẩm, mỹ phẩm. Phenol còn thƣờng đƣợc sử dụng làm chất ảo quản, chất tẩy uế, trong công nghệ sản xuất ột giấy, sản xuất thuốc trừ sâu và các chất trung gian khác.
Phenol còn nhiều sử dụng trong các ngành công nghiệp ô tô và xây dựng ao gồm phanh lót, chất kết dính đúc, ọt cách nhiệt và vật liệu tổng hợp. Trƣớc đây, phenol đƣợc sử dụng trong mỹ phẩm trong các sản phẩm ch m sóc tóc và da, trong các chất khử loãng (các hóa chất tiêu diệt vi khuẩn và nấm trong chất nhờn). Phenol cũng đƣợc sử dụng trong sơn ngâm tẩm và chất ảo quản trong các chế phẩm dƣợc phẩm nhƣ insulin, vắc-xin lao, huyết thanh dị ứng, tiêm và thuốc thú y [7].4 Độc tính của phenol và tình hình ô nhiễm phenol Phenol đƣợc hấp thụ, phân ố nhanh khắp cơ thể khi tiếp xúc với miệng, da hoặc qua đƣờng hô hấp và ài tiết nhanh trong nƣớc tiểu. Phenol không tích lũy trong cơ thể.
Phenol n mòn da, màng nhầy, gây kích ứng đƣờng hô hấp, đau đầu, cay mắt và gây ỏng da nghiêm trọng và tổn thƣơng mắt. Liều lƣợng thấp nhất gây tử vong ằng đƣờng tiêu hóa là khoảng 4,8g và trong thời gian không quá 19 phút. Các mức độc hại đối với con ngƣời thƣờng nằm trong khoảng từ 10-24 mg/L và mức đối với cá từ 9-25 mg/L. Nồng độ trong máu có thể gây chết ngƣời của phenol là khoảng 150mg/100mL.