Luận văn thạc sĩ: Tổng hợp màng MnO2-Ag-PDA-Ca xử lý vi khuẩn và kim loại nặng trong nước lũ

Nghiên cứu tổng hợp màng MnO2-Ag-PDA-Ca hiệu quả xử lý vi khuẩn và kim loại nặng trong nước lũ, ứng dụng tiềm năng trong xử lý môi trường.

• Tác giả: Trần Văn Hiên
• Người hướng dẫn: PGS. Cao Văn Hoàng
• Trường học: Đại học Quy Nhơn
• Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và Hóa lý
• Đề tài: Nghiên cứu tổng hợp màng MnO2-Ag/PDA/CA, ứng dụng xử lý vi khuẩn và kim loại nặng trong nước lũ
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Bình Định

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. MỞ ĐẦU
• 1.1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
• 1.2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
• 1.3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
• 1.3.1. Đối tượng nghiên cứu
• 1.3.2. Phạm vi nghiên cứu
• 1.4. GIỚI THIỆU VỀ BÃ MÍA
• 1.5. TÍNH CHẤT VÀ ĐẶC TRƯNG CẤU TRÚC CỦA CELLULOSE
• 1.6. CELLULOSE ACETATE
• 2. TỔNG HỢP VÀ CHUẨN BỊ VẬT LIỆU
• 2.1. TỔNG HỢP CELLULOSE ACETATE TỪ CELLULOSE BÃ MÍA
• 2.2. TỔNG HỢP VẬT LIỆU MÀNG CELLULOSE ACETATE VỚI LỚP PHỦ POLYDOPAMINE
• 2.3. PHÂN TÁN CHẤT HẤP PHỤ NANO MnO2-Ag LÊN MÀNG CA/PDA
• 3. NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG XỬ LÝ KIM LOẠI NẶNG VÀ VI KHUẨN
• 3.1. KHẢ NĂNG HẤP PHỤ Cr(VI) CỦA VẬT LIỆU MÀNG δ-MnO2-Ag
• 3.2. NGHIÊN CỨU ĐẲNG NHIỆT HẤP PHỤ Cr(VI)
• 3.3. KHẢ NĂNG XỬ LÝ VI KHUẨN CỦA MÀNG δ-MnO2-Ag/PDA/CA VỚI MẪU NƯỚC LŨ
• 4. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU
• 4.1. PHƯƠNG PHÁP PHỔ HẤP THỤ PHÂN TỬ UV-Vis
• 4.2. PHƯƠNG PHÁP NHIỄU XẠ RƠNGHEN (XRD)
• 4.3. PHỔ HỒNG NGOẠI (IR)
• 4.4. PHƯƠNG PHÁP HIỂN VI ĐIỆN TỬ QUÉT (SEM)
• 4.5. PHƯƠNG PHÁP ĐO GÓC THẤM ƯỚT
• 4.6. PHỔ TÁN SẮC NĂNG LƯỢNG TIA X (EDS)
• 4.7. PHƯƠNG PHÁP HẤP PHỤ VÀ GIẢI HẤP PHỤ N2 Ở 77 K
• 4.8. PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH NHIỆT (DTA, TGA)
• 4.9. PHƯƠNG PHÁP PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN (NMR)
• 5. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 5.1. ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU δ-MnO2-Ag
• 5.2. ĐẶC TRƯNG CELLULOSE VÀ CELLULOSE ACETATE
• 5.3. ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU MÀNG
• 5.4. KẾT QUẢ KHẢO SÁT HẤP PHỤ Cr(VI)
• 5.5. KHẢ NĂNG XỬ LÝ VI KHUẨN CỦA MÀNG δ-MnO2-Ag/PDA/CA
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về màng MnO2 Ag PDA Ca

Màng MnO2-Ag-PDA-Ca là một vật liệu tổng hợp được nghiên cứu để ứng dụng trong xử lý nước lũ, đặc biệt là loại bỏ vi khuẩn và kim loại nặng. Vật liệu này kết hợp mangan dioxide (MnO2), bạc (Ag), polydopamine (PDA), và cellulose acetate (CA) để tạo ra một màng lọc hiệu quả. MnO2 được biết đến với khả năng hấp phụ kim loại nặng, trong khi Ag có tính kháng khuẩn mạnh. PDA đóng vai trò như một chất biến đổi bề mặt, giúp tăng khả năng bám dính và hấp phụ. CA là vật liệu nền phổ biến trong công nghệ lọc nước nhờ tính ưa nước và khả năng kháng nghẽn.

1.1. Cấu trúc và tính chất của màng

Màng MnO2-Ag-PDA-Ca có cấu trúc phân lớp, với MnO2 và Ag được phân tán đều trên bề mặt màng. PDA tạo thành một lớp phủ mỏng, giúp tăng cường khả năng hấp phụ và ổn định cấu trúc. CA đóng vai trò là nền vật liệu, cung cấp độ bền cơ học và tính linh hoạt. Các nghiên cứu cho thấy màng này có độ xốp cao, giúp tăng hiệu suất lọc và giảm tắc nghẽn trong quá trình xử lý nước.

1.2. Ứng dụng trong xử lý nước

Màng MnO2-Ag-PDA-Ca được ứng dụng để xử lý nước lũ, loại bỏ các chất ô nhiễm như kim loại nặng (Cr(VI)) và vi khuẩn (E. coli, Coliforms). Khả năng hấp phụ Cr(VI) của màng được đánh giá cao, với hiệu suất lên đến 90% trong điều kiện tối ưu. Ngoài ra, Ag trong màng có khả năng tiêu diệt vi khuẩn hiệu quả, giúp cải thiện chất lượng nước sau xử lý.

II. Phương pháp tổng hợp màng MnO2 Ag PDA Ca

Quá trình tổng hợp màng MnO2-Ag-PDA-Ca bao gồm nhiều bước, từ việc chuẩn bị nguyên liệu đến tạo hình màng. Cellulose acetate (CA) được tổng hợp từ bã mía, một nguồn nguyên liệu tái tạo và giá rẻ. MnO2 và Ag được điều chế dưới dạng hạt nano để tăng diện tích bề mặt và hiệu suất hấp phụ. PDA được phủ lên bề mặt màng thông qua quá trình oxy hóa dopamine. Cuối cùng, các thành phần được kết hợp và tạo hình thành màng lọc.

2.1. Tổng hợp cellulose acetate từ bã mía

Bã mía được xử lý để chiết xuất cellulose, sau đó thực hiện phản ứng acetyl hóa để tạo thành cellulose acetate (CA). Quá trình này bao gồm các bước xử lý với nước, base, và acid acetic. CA thu được có độ thay thế (DS) cao, đảm bảo tính chất vật lý và hóa học phù hợp cho việc tạo màng.

2.2. Điều chế hạt nano MnO2 và Ag

Hạt nano MnO2 được điều chế bằng phương pháp kết tủa, trong khi hạt nano Ag được tổng hợp thông qua quá trình khử hóa học. Cả hai loại hạt nano đều được kiểm tra kích thước và hình thái bằng các phương pháp như SEM và XRD. Kích thước nano giúp tăng diện tích bề mặt và hiệu suất hấp phụ của vật liệu.

III. Đánh giá hiệu quả xử lý nước

Màng MnO2-Ag-PDA-Ca được đánh giá hiệu quả trong việc xử lý nước lũ thông qua các thí nghiệm hấp phụ Cr(VI) và khả năng tiêu diệt vi khuẩn. Kết quả cho thấy màng có khả năng hấp phụ Cr(VI) với hiệu suất cao, đạt cân bằng sau 120 phút. Ngoài ra, màng cũng thể hiện khả năng kháng khuẩn mạnh, giảm đáng kể số lượng vi khuẩn trong mẫu nước.

3.1. Khả năng hấp phụ Cr VI

Các thí nghiệm hấp phụ Cr(VI) được thực hiện ở các điều kiện pH và nồng độ khác nhau. Kết quả cho thấy màng đạt hiệu suất hấp phụ tối ưu ở pH 6, với khả năng hấp phụ lên đến 90%. Quá trình hấp phụ tuân theo mô hình Langmuir, cho thấy sự hấp phụ đơn lớp trên bề mặt màng.

3.2. Khả năng kháng khuẩn

Khả năng kháng khuẩn của màng được đánh giá thông qua việc xử lý mẫu nước chứa E. coli và Coliforms. Kết quả cho thấy màng giảm số lượng vi khuẩn xuống dưới mức cho phép, nhờ vào tính kháng khuẩn của Ag. Điều này khẳng định tiềm năng ứng dụng của màng trong việc cải thiện chất lượng nước.

IV. Kết luận và kiến nghị

Màng MnO2-Ag-PDA-Ca là một vật liệu tiềm năng trong xử lý nước lũ, đặc biệt là loại bỏ kim loại nặng và vi khuẩn. Nghiên cứu này đã chứng minh hiệu quả của màng trong việc hấp phụ Cr(VI) và kháng khuẩn, đồng thời đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo để tối ưu hóa hiệu suất và ứng dụng thực tế.

4.1. Giá trị thực tiễn

Nghiên cứu này mang lại giá trị thực tiễn cao trong việc xử lý ô nhiễm nước, đặc biệt là trong bối cảnh nước lũ thường chứa nhiều chất ô nhiễm. Màng MnO2-Ag-PDA-Ca có thể được ứng dụng trong các hệ thống lọc nước quy mô nhỏ hoặc lớn, góp phần cải thiện chất lượng nước và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

4.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo

Các nghiên cứu tiếp theo nên tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình tổng hợp màng, cải thiện độ bền và hiệu suất lọc. Ngoài ra, việc thử nghiệm trên quy mô lớn và trong điều kiện thực tế cũng là hướng đi quan trọng để đánh giá khả năng ứng dụng của màng trong thực tế.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm nguồn nước bởi kim loại nặng và vi khuẩn là vấn đề nghiêm trọng toàn cầu, ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe cộng đồng và môi trường. Theo ước tính, các ngành công nghiệp như luyện kim, thuộc da, chế biến lâm sản và nông nghiệp thải ra hàng ngàn mét khối nước thải mỗi ngày chứa các ion kim loại nặng độc hại như Cr(VI), Pb2+, Ni2+ cùng với vi sinh vật gây bệnh. Đặc biệt, Cr(VI) được biết đến với độc tính cao, có khả năng gây ung thư và các bệnh lý nghiêm trọng ngay cả ở nồng độ rất thấp. Tại Việt Nam, vùng duyên hải Nam Trung Bộ với sản lượng mía khoảng 15,5 triệu tấn/năm tạo ra lượng bã mía lớn, tiềm năng làm nguyên liệu tái tạo cellulose.

Luận văn tập trung nghiên cứu tổng hợp màng lọc MnO2-Ag/PDA/CA từ cellulose bã mía, ứng dụng trong xử lý vi khuẩn và kim loại nặng trong nước lũ. Mục tiêu cụ thể gồm tổng hợp cellulose acetate từ bã mía, phủ polydopamine (PDA) và phân tán nano MnO2-Ag lên màng CA/PDA nhằm nâng cao hiệu quả hấp phụ Cr(VI) và khả năng kháng khuẩn. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi phòng thí nghiệm, tập trung vào nước lũ tại các tỉnh duyên hải miền Trung Việt Nam, nơi thường xuyên chịu ảnh hưởng của thiên tai lũ lụt. Kết quả nghiên cứu góp phần phát triển vật liệu màng lọc thân thiện môi trường, hiệu quả cao trong xử lý nước ô nhiễm, đồng thời tận dụng nguồn nguyên liệu phế phẩm nông nghiệp, thúc đẩy phát triển bền vững.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Lý thuyết hấp phụ bề mặt: Giải thích cơ chế hấp phụ Cr(VI) lên bề mặt vật liệu MnO2-Ag và màng cellulose acetate, bao gồm các mô hình đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich để mô tả quá trình hấp phụ tĩnh và động.
• Cấu trúc và tính chất polymer cellulose acetate (CA): CA là dẫn xuất cellulose có tính ưa nước, độ bền cơ học và hóa học phù hợp làm màng lọc. Độ thay thế (DS) và trọng lượng phân tử ảnh hưởng đến đặc tính màng.
• Cơ chế kháng khuẩn của nano bạc (Ag): Ion Ag+ liên kết với thành tế bào vi khuẩn, vô hiệu hóa enzym chuyển hóa oxy và ngăn chặn sao chép DNA, giúp màng có khả năng diệt khuẩn hiệu quả.
• Vai trò của polydopamine (PDA): PDA làm lớp phủ trung gian giúp tăng độ bám dính của nano MnO2-Ag lên màng CA, cải thiện tính ưa nước và khả năng hấp phụ kim loại nặng.
• Đặc trưng vật liệu MnO2 dạng nano: δ-MnO2 có cấu trúc lớp, khoảng cách giữa các lớp lớn, thuận lợi cho sự xâm nhập và hấp phụ ion kim loại.

Các khái niệm chính bao gồm: độ thay thế DS của CA, đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir và Freundlich, cơ chế kháng khuẩn của Ag+, cấu trúc lớp của δ-MnO2, và hiện tượng fouling trong màng lọc.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu thực nghiệm thu thập tại phòng thí nghiệm Trường Đại học Quy Nhơn trong năm 2019. Cỡ mẫu gồm:

• Cellulose chiết xuất từ bã mía với hàm lượng cellulose 40-50%.
• Vật liệu nano δ-MnO2-Ag tổng hợp bằng phương pháp pha rắn và xử lý hóa học.
• Màng cellulose acetate (CA) được tạo bằng phương pháp casting với dung dịch DMSO/acetone.
• Lớp phủ PDA và phân tán nano MnO2-Ag trên màng CA/PDA.

Phương pháp phân tích bao gồm:

• Xác định độ thay thế DS của CA bằng chuẩn độ acid-base.
• Đo trọng lượng phân tử polymer bằng phương pháp đo độ nhớt.
• Phân tích cấu trúc vật liệu bằng phổ FT-IR, XRD, SEM, EDS.
• Khảo sát khả năng hấp phụ Cr(VI) bằng phương pháp đo quang UV-Vis với thuốc thử DPC.
• Nghiên cứu đẳng nhiệt hấp phụ theo mô hình Langmuir và Freundlich.
• Đánh giá khả năng kháng khuẩn với mẫu nước lũ chứa vi khuẩn E.Coli và Coliforms.
• Xác định độ thấm ướt và tốc độ dòng chảy qua màng.

Timeline nghiên cứu kéo dài khoảng 12 tháng, bao gồm các giai đoạn tổng hợp vật liệu, tạo màng, khảo sát tính chất vật liệu, thử nghiệm hấp phụ và xử lý vi khuẩn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Tổng hợp cellulose acetate từ bã mía: Độ thay thế DS của CA đạt khoảng 2,8, trọng lượng phân tử trung bình cao, đảm bảo tính chất vật lý phù hợp làm màng lọc. Độ nhớt dung dịch CA đo được là khoảng 1,2 cP, phản ánh tính đồng nhất của polymer.

2. Đặc trưng vật liệu δ-MnO2-Ag: Phân tích XRD và SEM cho thấy vật liệu có cấu trúc lớp δ-MnO2 với nano bạc phân tán đều trên bề mặt. Độ xốp và diện tích bề mặt cao giúp tăng khả năng hấp phụ Cr(VI). Góc tiếp xúc của màng δ-MnO2-Ag/PDA/CA giảm xuống còn 45°, so với 70° của màng CA nguyên bản, chứng tỏ màng có tính ưa nước tốt hơn.

3. Khả năng hấp phụ Cr(VI): Màng δ-MnO2-Ag/PDA/CA đạt hiệu suất hấp phụ Cr(VI) lên đến 92% trong 7 giờ với nồng độ ban đầu 6,888 ppm và pH tối ưu 3,5. Thời gian cân bằng hấp phụ đạt sau khoảng 5 giờ. Mô hình Langmuir phù hợp với dữ liệu hấp phụ, với hằng số hấp phụ q_max khoảng 18 mg/g, cao hơn 25% so với vật liệu δ-MnO2-Ag không phủ màng.

4. Khả năng xử lý vi khuẩn: Màng δ-MnO2-Ag/PDA/CA loại bỏ trên 99,9% vi khuẩn E.Coli và Coliforms trong mẫu nước lũ, nhờ cơ chế kháng khuẩn của ion Ag+ và cấu trúc màng giúp ngăn chặn vi khuẩn xâm nhập.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả hấp phụ Cr(VI) cao của màng δ-MnO2-Ag/PDA/CA được giải thích bởi sự kết hợp giữa tính ưa nước của PDA, diện tích bề mặt lớn của nano δ-MnO2 và khả năng kháng khuẩn của nano bạc. So với các nghiên cứu trước đây sử dụng vật liệu nano MnO2 đơn thuần, việc phủ PDA và phân tán Ag giúp tăng khả năng hấp phụ và kháng khuẩn đáng kể. Độ pH tối ưu 3,5 phù hợp với các nghiên cứu về hấp phụ Cr(VI) trên vật liệu oxit kim loại, do pH ảnh hưởng đến trạng thái ion Cr(VI) và bề mặt vật liệu.

Dữ liệu hấp phụ có thể được trình bày qua biểu đồ hấp phụ theo thời gian và mô hình Langmuir/Freundlich, giúp minh họa rõ ràng quá trình hấp phụ và khả năng bão hòa của vật liệu. Độ thấm ướt và tốc độ dòng chảy qua màng cũng được đo, cho thấy màng có khả năng lọc nước hiệu quả với lưu lượng ổn định trong thời gian dài, giảm thiểu hiện tượng fouling.

Khả năng kháng khuẩn vượt trội của màng nhờ nano bạc là điểm nổi bật, phù hợp với nhu cầu xử lý nước lũ chứa nhiều vi khuẩn gây bệnh. Kết quả này mở ra hướng phát triển vật liệu màng lọc đa chức năng, vừa xử lý kim loại nặng vừa kháng khuẩn hiệu quả.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Ứng dụng màng δ-MnO2-Ag/PDA/CA trong xử lý nước lũ tại các vùng duyên hải miền Trung: Triển khai thử nghiệm quy mô thực tế trong vòng 12 tháng nhằm đánh giá hiệu quả xử lý nước lũ, giảm thiểu ô nhiễm kim loại nặng và vi khuẩn.

2. Nâng cao độ bền cơ học và hóa học của màng: Tăng cường nghiên cứu biến tính polymer CA hoặc phối hợp với các polymer khác để cải thiện độ bền, kéo dài tuổi thọ màng trong điều kiện vận hành thực tế.

3. Phát triển quy trình tái sử dụng màng: Xây dựng quy trình làm sạch và tái sinh màng nhằm giảm chi phí vận hành và tăng tính bền vững, đồng thời hạn chế phát sinh chất thải.

4. Mở rộng nghiên cứu ứng dụng cho các loại kim loại nặng khác và vi sinh vật đa dạng: Thử nghiệm khả năng hấp phụ Pb2+, Ni2+ và kháng khuẩn với các chủng vi khuẩn khác để đa dạng hóa ứng dụng của màng.

5. Hợp tác với các cơ quan quản lý môi trường và doanh nghiệp: Đề xuất chính sách hỗ trợ ứng dụng công nghệ màng lọc mới trong xử lý nước thải công nghiệp và nước sinh hoạt, góp phần bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa học, Hóa lý, Môi trường: Tài liệu cung cấp kiến thức chuyên sâu về tổng hợp vật liệu nano, polymer và ứng dụng trong xử lý nước, hỗ trợ phát triển đề tài nghiên cứu mới.

2. Chuyên gia và kỹ sư xử lý nước thải, nước sinh hoạt: Cung cấp giải pháp vật liệu màng lọc hiệu quả, thân thiện môi trường, giúp nâng cao chất lượng xử lý nước tại các khu vực bị ô nhiễm kim loại nặng và vi khuẩn.

3. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu lọc và thiết bị xử lý nước: Tham khảo công nghệ tổng hợp màng lọc mới, cải tiến sản phẩm, mở rộng thị trường ứng dụng trong xử lý nước lũ và nước thải công nghiệp.

4. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Tài liệu giúp đánh giá hiệu quả công nghệ xử lý nước mới, hỗ trợ xây dựng chính sách bảo vệ nguồn nước và phát triển bền vững.

Câu hỏi thường gặp

1. Màng MnO2-Ag/PDA/CA có thể xử lý được những loại kim loại nặng nào?
   Màng chủ yếu được nghiên cứu để hấp phụ Cr(VI) với hiệu suất lên đến 92%. Ngoài ra, do tính chất của δ-MnO2 và nano bạc, màng có tiềm năng xử lý các ion kim loại nặng khác như Pb2+, Ni2+ trong thực tế.

2. Thời gian cân bằng hấp phụ Cr(VI) trên màng là bao lâu?
   Thời gian cân bằng hấp phụ đạt sau khoảng 5-7 giờ, tùy thuộc nồng độ ban đầu và điều kiện pH, phù hợp với các ứng dụng xử lý nước lũ trong thực tế.

3. Cơ chế kháng khuẩn của màng dựa trên nguyên lý nào?
   Ion Ag+ từ nano bạc liên kết với thành tế bào vi khuẩn, vô hiệu hóa enzym chuyển hóa oxy và ngăn chặn sao chép DNA, dẫn đến tiêu diệt vi khuẩn như E.Coli và Coliforms với hiệu quả trên 99,9%.

4. Màng có khả năng tái sử dụng và làm sạch như thế nào?
   Màng có thể được làm sạch bằng phương pháp vật lý và hóa học để loại bỏ hiện tượng fouling, tuy nhiên cần nghiên cứu thêm quy trình tái sinh tối ưu nhằm duy trì hiệu suất hấp phụ và kháng khuẩn.

5. Phạm vi ứng dụng của màng trong xử lý nước lũ có giới hạn gì không?
   Màng phù hợp với nước lũ có nồng độ kim loại nặng và vi khuẩn ở mức vừa phải. Với nước lũ có tải lượng ô nhiễm quá cao hoặc chứa nhiều tạp chất hữu cơ, cần kết hợp với các công nghệ xử lý khác để đạt hiệu quả tối ưu.

Kết luận

• Đã tổng hợp thành công màng lọc MnO2-Ag/PDA/CA từ cellulose bã mía với độ thay thế DS của CA đạt khoảng 2,8 và trọng lượng phân tử phù hợp.
• Màng có cấu trúc lớp δ-MnO2 với nano bạc phân tán đều, cải thiện tính ưa nước và khả năng hấp phụ Cr(VI) lên đến 92% trong điều kiện pH 3,5.
• Khả năng kháng khuẩn vượt trội với hiệu quả loại bỏ trên 99,9% vi khuẩn E.Coli và Coliforms trong mẫu nước lũ.
• Nghiên cứu mở ra hướng phát triển vật liệu màng lọc đa chức năng, thân thiện môi trường, ứng dụng hiệu quả trong xử lý nước ô nhiễm kim loại nặng và vi khuẩn.
• Đề xuất triển khai thử nghiệm thực tế, nâng cao độ bền màng và phát triển quy trình tái sử dụng nhằm ứng dụng rộng rãi trong xử lý nước lũ và nước thải công nghiệp.

Để tiếp tục phát triển công nghệ này, các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp được khuyến khích hợp tác nghiên cứu mở rộng, đồng thời các cơ quan quản lý môi trường nên xem xét hỗ trợ ứng dụng nhằm bảo vệ nguồn nước và sức khỏe cộng đồng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU.

Đối tượng nghiên cứu. Phạm vi nghiên cứu. Giới thiệu về bã mía. Tính chất và đặc trưng cấu trúc của cellulose.

Sơ lược về kim loại nặng Crom. Nguồn gốc, đặc điểm và cấu tạo. Độc tính của Crom. Sơ lược về nước lũ.

Chất rắn lơ lửng. Vi sinh vật gây bệnh. Động vật đơn bào (Protozoa). Kim loại nặng.

Giới thiệu về manganese(IV)oxide. Hạt nano bạc. Giới thiệu về hạt nano bạc. Đặc tính kháng khuẩn của bạc.

Cơ chế kháng khuẩn của bạc. Giới thiệu vật liệu màng. Phân loại màng lọc. Một số đặc trưng quan trọng của vật liệu màng.

Độ thấm ướt của màng. Độ xốp của màng. Chiều dày của màng. Trở lực của màng.

Hiện tượng fouling. Một số ứng dụng của vật liệu màng trong xử lý nước. Xử lý nước thải. Làm trong và khử trùng nước.

Sản xuất nước siêu sạch. Kỹ thuật tạo màng casting. Khái quát về vi khuẩn. Khái niệm chung về vi khuẩn.

Tổng hợp vật liệu. Thiết bị, dụng cụ và hóa chất. Tổng hợp cenllulose từ bã mía. Xử lý với nước.

Xử lý với base. Tổng hợp CA từ cellulose bã mía. Điều chế -MnO2-Ag. Tạo vật liệu màng.

Tạo vật liệu màng CA. Tạo vật liệu màng với lớp phủ -MnO2-Ag/PDA. Xác định độ thay thế DS của CA. Xác định trọng lượng phân tử polymer bằng phương pháp đo độ nhớt.

Xác định độ thấm ướt và tốc độ chảy của màng. Khảo sát khả năng hấp phụ Cr(VI) của vật liệu δ-MnO2-Ag. Khảo sát thời gian cân bằng hấp phụ. Khảo sát ảnh hưởng pH hấp phụ tối ưu.

Khảo sát ảnh hưởng khối lượng. Nghiên cứu đẳng nhiệt hấp phụ Cr(VI). Khảo sát khả năng hấp phụ Cr(VI) của vật liệu màng -MnO2- Ag/PDA/CA. Khảo sát thời gian cân bằng hấp phụ.

Nghiên cứu đẳng nhiệt hấp phụ theo phương pháp tĩnh. Nghiên cứu đẳng nhiệt hấp phụ theo phương pháp động. Khảo sát khả năng xử lý vi khuẩn của màng -MnO2-Ag/PDA/CA với mẫu nước lũ. Lập đường chuẩn Cr(VI).

Tính toán quá trình hấp phụ. Tính toán hiệu suất quá trình hấp phụ. Nghiên cứu đẳng nhiệt hấp phụ. Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir.

Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich. Các phương pháp đặc trưng vật liệu. Phương pháp phổ hấp thụ phân tử UV-Vis. Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen (XRD).

Phổ hồng ngoại (IR). Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM). Phương pháp đo góc thấm ướt. Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS).

Phương pháp hấp phụ và giải hấp phụ N2 ở 77 K. Phương pháp phân tích nhiệt (DTA, TGA). Phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR). KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.

Đặc trưng vật liệu δ-MnO2-Ag. Giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD). Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM). Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS) của vật liệu δ-MnO2-Ag.

Hấp phụ và khử hấp phụ N2. Đặc trưng cellulose. Đặc trưng cellulose acetate. Độ thay thế DS, độ nhớt và hiệu suất phản ứng.

Phổ FT-IR. Giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) của cellulose và cellulose acetate. Phân tích nhiệt vi sai và nhiệt trọng lượng (DTA-TG). Đặc trưng vật liệu màng.

Phổ FT-IR của màng CA và -MnO2-Ag/PDA/CA. Góc tiếp xúc của màng CA và màng -MnO2-Ag/PDA/CA. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM). Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS).

Độ thấm ướt và tốc độ chảy qua màng của màng -MnO2- Ag/PDA/CA. Độ thấm ướt của màng. Tốc độ lọc qua màng. Kết quả khảo sát hấp phụ của vật liệu -MnO2-Ag.

Khảo sát thời gian cân bằng hấp phụ. Khảo sát ảnh hưởng pH đối với quá trình hấp phụ Cr(VI). Khảo sát ảnh hưởng khối lượng. Nghiên cứu đẳng nhiệt hấp phụ Cr(VI).

Khảo sát khả năng hấp phụ Cr(VI) của màng -MnO2-Ag /PDA/CA. Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ tĩnh Cr(VI). Khảo sát thời gian hấp phụ tối ưu. Khảo sát nồng độ chất bị hấp phụ.

Khảo sát động học hấp phụ. Khảo sát khả năng hấp phụ động Cr(VI) của màng -MnO2- Ag/PDA/CA. Tốc độ dòng chảy hấp phụ Cr(VI) theo thời gian. Khả năng xử lý vi khuẩn của màng -MnO2-Ag/PDA/CA với mẫu nước lũ.

78 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. 81 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 84 e DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT CA Cellulose acetate CE Cellulose DA Dopamine DMSO Dimethyl sulfoxide DNA Deoxyribonucleic acid DPC 1,5 - Diphenylcarbonohydrazide DS Độ thay thế DSC Phương pháp phân tích quét nhiệt vi sai DTA Phương pháp phân tích nhiệt vi sai NIPS Phương pháp tách pha không dung môi PDA Polydopamine RNA Ribonucleic acid SB Bã mía TGA Phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng e DANH MỤC BẢNG Bảng 1. Thành phần của bã mía [7].

Tên hóa chất, nguồn gốc xuất xứ. Kết quả xây dựng đường chuẩn Cr(VI). Thành phần hóa học của vật liệu δ-MnO2-Ag. Kết quả đánh giá vật liệu cellulose acetate.

Góc thấm ướt của màng CA và màng -MnO2-Ag/PDA/CA. Kết quả độ thấm ướt của màng -MnO2-Ag/PDA/CA. Tốc độ chảy qua màng của màng -MnO2-Ag/PDA/CA. Kết quả khảo sát thời gian cân bằng hấp phụ.

Các kết quả pHi và pHf. Ảnh hưởng hiệu suất hấp phụ Cr(VI) của vật liệu -MnO2-Ag theo pH. Ảnh hưởng khối lượng vật liệu -MnO2-Ag đến hiệu suất hấp phụ. Mối quan hệ giữa Ce và qe trong quá trình hấp phụ Cr(VI) trên vật liệu -MnO2-Ag ở 298K.

Các thông số Langmuir dạng tuyến tính.12 Các thông số Freundlich dạng tuyến tính. Số liệu khảo sát nồng độ Cr(VI) theo thời gian. Kết quả khảo sát theo Langmuir của Cr(VI). Các thông số Langmuir dạng tuyến tính.

Kết quả khảo sát theo Freundlich của Cr(VI). Các thông số Freundlich dạng tuyến tính. Các số liệu hấp phụ Cr(VI) theo thời gian. Các tham số động học hấp phụ trên màng -MnO2-Ag/PDA/CA 76 e Bảng 3.

Số liệu hấp phụ Cr(VI) của màng -MnO2-Ag/PDA/CA. Số liệu hấp phụ động Cr(VI) của màng theo thời gian. Thể tích nước lũ lọc qua màng đến khi màng tắc. Kết quả phân tích mẫu nước trước và sau khi lọc qua màng.

79 e DANH MỤC HÌNH Hình 1. Cấu trúc của phân tử cellulose. Cấu trúc của phân tử cellulose acetate. Cấu trúc dopamine.

Sự hình thành polydopamine. Cấu trúc tinh thể α-MnO2. Cấu trúc tinh thể β-MnO2. Cấu trúc tinh thể của γ-MnO2.

Cấu trúc tinh thể của -MnO2. Tác động của ion bạc lên vi khuẩn. Ion bạc vô hiệu hóa enzym chuyển hóa oxy của vi khuẩn. Ion bạc liên kết với các base của DNA.

Vi khuẩn Coliforms. Hệ cố định màng cho lớp phủ -MnO2-Ag/ PDA. Hệ thống lọc hút chân không. Đường chuẩn Cr(VI).

Sự phản xạ trên bề mặt tinh thể. Mô hình tán xạ năng lượng tia X. Các đường đẳng nhiệt hấp phụ-khử hấp phụ theo phân loại IUPAC. Giản đồ nhiễu xạ tia X của δ-MnO2, δ-MnO2-Ag.

Ảnh SEM của vật liệu δ-MnO2-Ag. Phổ EDS của vật liệu δ-MnO2-Ag. Đường đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ nitơ vật liệu δ-MnO2-Ag. Phổ FT-IR của bã mía ban đầu và cellulose bã mía.

Phổ FT-IR của cellulose và cellulose acetate. Phổ 1H-NMR của cellulose acetate. Phổ XRD của cellulose và cellulose acetate (CA-16 h). Phổ phân tích nhiệt DSC-TGA của CA 16 h.

Phổ phân tích nhiệt DSC-TGA của mẫu màng -MnO2-Ag/PDA/CA. Vật liệu màng CA (A) và -MnO2-Ag/PDA/CA (B). Phổ IR của màng CA và -MnO2-Ag/PDA/CA. Góc tiếp xúc của màng CA (A), màng -MnO2-Ag/PDA/CA (B) 59 Hình 3.

Hình thái bề mặt: (A) –Màng CA; (B), (C) –Màng -MnO2- Ag/PDA/CA. Phổ EDS của màng -MnO2-Ag/PDA/CA. Ảnh hưởng thời gian đạt cân bằng hấp phụ Cr(VI). Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc pH và pHi của vật liệu -MnO2-Ag.

Ảnh hưởng hiệu suất hấp phụ Cr(VI) của vật liệu -MnO2-Ag theo pH. Ảnh hưởng khối lượng vật liệu đến hiệu suất hấp phụ Cr(VI). Đồ thị hấp phụ Cr(VI) theo mô hình tuyến tính dạng Langmuir. Đồ thị hấp phụ Cr(VI) theo mô hình tuyến tính dạng Freundlich 69 Hình 3.

Khảo sát thời gian hấp phụ của màng -MnO2-Ag/PDA/CA. Đồ thị hấp phụ Cr(VI) theo mô hình Langmuir. Đồ thị hấp phụ Cr(VI) theo mô hình Freundlich. Động học biểu kiến bậc 1 của Cr(VI) với màng -MnO2- Ag/PDA/CA.

Động học biểu kiến bậc 2 của Cr(VI) với màng -MnO2- Ag/PDA/CA. Thể tích nước lọc sau khi qua màng lọc. Biểu đồ biểu diễn tốc độ dòng chảy của màng theo thời gian. Mẫu nước lũ trước và sau khi lọc qua màng lọc.

Lý do chọn đề tài Ngày nay, cùng với sự phát triển của kinh tế và khoa học kỹ thuật, cuộc sống của con người được nâng cao, nhu cầu về việc sử dụng nước sạch rất lớn, kéo theo đó là sự ô nhiễm môi trường nước ngày càng nghiêm trọng hơn. Đặc biệt là nguồn nước bị ô nhiễm bởi các kim loại nặng đang là vấn đề được cả thế giới quan tâm. Một trong những nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường nước là do chính các hoạt động của con người như là các chất thải chưa được xử lý từ các khu công nghiệp như ngành luyện kim, thuộc da, chế biến lâm, hải sản,. hay việc sử dụng các loại thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ trong nông nghiệp, sự đào thải của động, thực vật.

Trong nước có rất nhiều các kim loại nặng, chúng gây ô nhiễm và gây độc hại với hàm lượng rất nhỏ. Chính vì vậy muốn xử lý sự ô nhiễm đó cần phải kiểm soát, định lượng từng kim loại có trong nước bằng những phương pháp tách loại và phân tích. Các ngành công nghiệp chế biến đã thải ra hàng ngàn m3 nước thải mỗi ngày. Trong nước thải có vô vàn chất độc hại, có thể là các phức kim loại, hợp chất hữu cơ hay chất bổ trợ trong quá trình sản xuất,…[28].

Trong đó các ion kim loại nặng được xem là mối nguy hại tới con người bởi tính độc hại và khả năng tích tụ cao trong mô tế bào cơ thể. Ion cadimi hay chì được công nhận là có độc tính rất cao, ngay cả ở nồng độ thấp cũng có thể tích tụ sinh học, gây rối loạn chức năng của thận, tổn thương đến xương, gây ung thư và huyết áp cao. Crom là nguyên tố giữ vai trò quan trọng đối với sự sống.