Luận văn nghiên cứu chế tạo vật liệu polymer khâu mạch bức xạ hấp phụ chất nhuộm màu và chế phẩm cố định vi sinh vật có khả năng phân giải một số chất hữu cơ gây ô nhiễm môi trường

Luận văn nghiên cứu chế tạo vật liệu polymer khâu mạch bức xạ hấp phụ chất nhuộm màu và cố định vi sinh vật phân giải chất hữu cơ gây ô nhiễm môi trường.

• Tác giả: Nguyễn Văn Toàn
• Người hướng dẫn: Th. NCVC Nguyễn Văn Toàn
• Trường học: Viện Khoa Học và Kỹ Thuật Hạt Nhân
• Chuyên ngành: Khoa học và Công nghệ
• Đề tài: Nghiên cứu chế tạo polymer khâu mạch bức xạ hấp phụ chất nhuộm và cố định vi sinh vật phân giải chất hữu cơ ô nhiễm
• Loại tài liệu: Báo cáo tổng kết đề tài khoa học công nghệ cấp bộ
• Năm xuất bản: 2005 - 2006
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu

Nghiên cứu tập trung vào việc chế tạo polymer khâu mạch bằng công nghệ bức xạ để hấp phụ chất nhuộm và cố định vi sinh vật có khả năng phân hủy chất hữu cơ gây ô nhiễm. Mục tiêu chính là tạo ra vật liệu có khả năng hấp phụ cao và chế phẩm vi sinh hiệu quả trong xử lý nước thải công nghiệp. Công nghệ bức xạ được coi là phương pháp sạch, không gây ô nhiễm môi trường, và có thể tạo ra các vật liệu có tính năng đặc biệt như độ trương nước cao, bền cơ học, và khả năng hấp phụ chất ô nhiễm.

1.1. Vai trò của polymer khâu mạch

Polymer khâu mạch được tạo ra từ các polyme tự nhiên như tinh bột, chitosan và polyme tổng hợp như PVA, PEO, HPA. Vật liệu này có độ trương nước cao và khả năng hấp phụ chất nhuộm trong nước thải. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng vật liệu này có thể hấp phụ các chất màu như Red phenol và Eriochrome Blue SE với hiệu suất đáng kể.

1.2. Ứng dụng của vi sinh vật

Vi sinh vật được cố định trên vật liệu polymer có khả năng phân hủy các chất hữu cơ khó phân hủy như chất nhuộm. Các chủng vi sinh vật được phân lập từ nước thải và dung dịch Red phenol, sau đó được cố định trên vật liệu để tăng hiệu quả xử lý. Chế phẩm vi sinh này có thể hấp phụ và phân hủy chất màu trong nước thải với hiệu suất cao.

II. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp chiếu xạ gamma để tạo ra vật liệu polymer khâu mạch. Các vật liệu được chế tạo từ hỗn hợp polyme tự nhiên và tổng hợp, sau đó chiếu xạ với liều lượng 5 kGy. Khả năng hấp phụ chất nhuộm được đánh giá thông qua các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm và ứng dụng thực tế. Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ như pH, thời gian xử lý, và hàm lượng vật liệu cũng được nghiên cứu chi tiết.

2.1. Chế tạo vật liệu polymer

Vật liệu polymer khâu mạch được chế tạo từ hỗn hợp PVA, tinh bột, PEO, HPA, và chitosan. Sau khi chiếu xạ, vật liệu có độ trương nước khoảng 100 g/g và khả năng hấp phụ chất nhuộm đạt trên 20 mg/g. Các thí nghiệm xác định độ trương và hàm lượng gel của vật liệu cũng được thực hiện để đảm bảo chất lượng.

2.2. Phân lập và cố định vi sinh vật

Các chủng vi sinh vật có khả năng phân hủy chất nhuộm được phân lập từ nước thải và dung dịch Red phenol. Sau đó, chúng được cố định trên vật liệu polymer để tạo thành chế phẩm vi sinh. Khả năng hấp phụ và phân hủy chất màu của chế phẩm này được đánh giá thông qua các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm và ứng dụng thực tế.

III. Kết quả và ứng dụng

Kết quả nghiên cứu cho thấy vật liệu polymer khâu mạch và chế phẩm vi sinh có khả năng hấp phụ và phân hủy chất nhuộm trong nước thải với hiệu suất cao. Vật liệu HN2 và TBKM.vs đã được ứng dụng thành công trong xử lý nước thải tại các xưởng nhuộm ở Hà Nội. Quy trình kỹ thuật xử lý nước thải chứa chất nhuộm cũng được xây dựng và đánh giá khả năng ứng dụng thực tế.

3.1. Hiệu quả hấp phụ chất nhuộm

Vật liệu polymer khâu mạch HN2 và TBKM.vs có khả năng hấp phụ chất nhuộm như Red phenol và Eriochrome Blue SE với hiệu suất trên 80%. Các yếu tố như pH, thời gian xử lý, và hàm lượng vật liệu ảnh hưởng đáng kể đến khả năng hấp phụ. Kết quả này cho thấy tiềm năng ứng dụng lớn của vật liệu trong xử lý nước thải công nghiệp.

3.2. Ứng dụng thực tế

Nghiên cứu đã ứng dụng thành công vật liệu và chế phẩm vi sinh trong xử lý nước thải tại các xưởng nhuộm ở Hà Nội. Quy trình kỹ thuật xử lý nước thải chứa chất nhuộm đã được xây dựng và đánh giá khả năng ứng dụng thực tế. Kết quả cho thấy hiệu quả xử lý cao và khả năng tái sử dụng vật liệu.

Nội dung chính

Nghiên Cứu Chế Tạo Polymer Khâu Mạch Bức Xạ Hấp Phụ Thuốc Nhuộm Màu Và Chế Phẩm Cố Định Vi Sinh Vật Xử Lý Môi Trường

---

Tóm tắt nghiên cứu (Research Summary)

Nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán cấp bách: Làm thế nào để xử lý triệt để các hợp chất thuốc nhuộm màu azo và chất hữu cơ độc hại khó phân hủy trong nước thải ngành dệt nhuộm bằng công nghệ sạch với chi phí tối ưu? Đề tài do Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân chủ trì, ứng dụng công nghệ chiếu xạ chùm tia Gamma từ nguồn Co-60 để khâu mạch hỗn hợp polymer tự nhiên (tinh bột sắn, chitosan) và polymer tổng hợp (PVA, PEO, HPA) nhằm tạo ra vật liệu hydrogel hấp phụ đa năng và giá thể cố định vi sinh vật bản địa.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp kỹ thuật biến tính bức xạ (liều chiếu 5 kGy) và công nghệ vi sinh hai pha (kỵ khí – hiếu khí). Vật liệu polymer khâu mạch cải tiến (ký hiệu HN2) đạt độ trương nở ~100 g/g, dung lượng hấp phụ thuốc nhuộm Red Phenol và Eriochrome Blue SE đạt trên 20 mg/g vật liệu khô, đồng thời có khả năng tái sinh và tái sử dụng lên đến 4 chu kỳ.

Khi cố định hệ vi sinh vật phân lập từ nước thải vào giá thể polymer (HN2.vs và TBKM.vs), chế phẩm thể hiện khả năng khử màu vượt trội (hiệu suất tách màu trên 80% trong nước thải thực tế tại Làng lụa Vạn Phúc và Công ty Dệt 8-3). Kết quả nghiên cứu khẳng định tiềm năng to lớn của việc ứng dụng năng lượng nguyên tử vì mục đích hòa bình trong bảo vệ môi trường sinh thái công nghiệp.

---

Bối cảnh và tầm quan trọng (Context & Significance)

Ngành công nghiệp dệt may, in ấn và nhuộm đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế nhưng đồng thời là nguồn phát thải ô nhiễm hữu cơ phức tạp. Nước thải dệt nhuộm thường có nồng độ màu dao động từ 10 đến trên 200 mg/L (tương đương hàng trăm nghìn đơn vị màu CU), chứa hàm lượng lớn hóa chất trợ nhuộm, muối vô cơ, kim loại và đặc biệt là các hợp chất màu nhóm Azo ($-N=N-$) chiếm hơn 50% lượng phẩm nhuộm thương phẩm. Cấu trúc liên kết thơm đa vòng phân cực khiến các phân tử phẩm màu cực kỳ bền vững đối với nhiệt độ, ánh sáng và các quá trình phân hủy sinh học thông thường.

Hiện nay, phương pháp phổ biến tại nhiều cơ sở sản xuất vẫn là pha loãng hoặc sử dụng than hoạt tính và chất keo tụ hóa học. Tuy nhiên, than hoạt tính có dung lượng hấp phụ giới hạn, thiếu các nhóm chức hoạt hóa bề mặt (như amin $-NH_2$, carboxyl $-COOH$) và chi phí hoàn nguyên rất cao; trong khi các biện pháp hóa học lại tiêu tốn lượng lớn hóa chất và phát sinh bùn thải thứ cấp độc hại.

[Phẩm màu Azo bền vững] 

Nghiên cứu này mang tính thời sự sâu sắc khi tích hợp công nghệ bức xạ sạch (không sử dụng xúc tác độc hại) với công nghệ sinh học xử lý nước thải. Giải pháp mở ra hướng đi bền vững giúp các doanh nghiệp dệt may và làng nghề truyền thống xử lý triệt để nước thải đạt tiêu chuẩn môi trường Việt Nam với chi phí hợp lý.

---

Methodology và tiếp cận nghiên cứu (Methodology & Approach)

Đề tài áp dụng phương pháp tiếp cận đa ngành, tích hợp công nghệ hóa xạ học polymer và công nghệ sinh học môi trường theo quy trình thực nghiệm nghiêm ngặt:

1. Thiết kế và chế tạo vật liệu polymer khâu mạch

Hệ vật liệu hydrogel được phối trộn ở trạng thái hồ đặc đồng thể tại $70 - 80^\circ\text{C}$ với các thành phần chính: Polyvinyl Alcohol (PVA 5%), Tinh bột sắn (Starch 5%), Polyethylene Oxide (PEO 0.5%), Hydrolyzed Polyacrylamide (HPA 3%), Chitosan (1%) và Borax (0.1%). Hỗn hợp được chiếu xạ chùm tia Gamma trên nguồn $Co^{60}$ tại Trung tâm Chiếu xạ Hà Nội với liều hấp thụ 5 kGy (suất liều 0.3 kGy/h) để kích hoạt quá trình tạo gốc tự do và khâu mạch không gian ba chiều.

2. Thu thập và biến tính các hệ vật liệu so sánh

• HN1, HN2, HN3, HN4: Các hệ hydrogel bức xạ với tỷ lệ phối trộn polymer và chất hóa dẻo khác nhau.
• SG1, SG2, SG3: Vật liệu tinh bột biến tính ghép bức xạ acid acrylic/acrylamide do Trung tâm Nghiên cứu & Triển khai Công nghệ Bức xạ TP.HCM cung cấp.
• TBKM: Tinh bột khâu mạch dạng lưỡng cực (Crosslinked Amphoteric Starch - CAS).
• HL1: Hạt lọc sinh học bọc màng polymer sinh học HN2 bổ sung Chitosan 4%.

3. Phân lập vi sinh vật và chế tạo chế phẩm sinh học cố định

• Phân lập các chủng vi khuẩn và nấm men bản địa từ chính nguồn nước thải dệt nhuộm và dung dịch Red Phenol nhiễm vi sinh.
• Nuôi cấy tăng sinh khối trong môi trường Nutrient Broth và Sabouraud Broth ($28 - 35^\circ\text{C}$) đạt mật độ tế bào $\sim 10^{15}\text{ CFU/mL}$.
• Cố định sinh khối lên các giá thể polymer (HN2, TBKM, HL1) bằng kỹ thuật hấp phụ sinh học đa điểm và sấy nhẹ ở $40^\circ\text{C}$.

4. Phương pháp phân tích và kiểm tra độ tin cậy

• Xác định độ trương nở ($S$) và hàm lượng gel ($G$): Đánh giá khối lượng cân bằng sau ngâm chiết nước cất và sấy chân không ở $50^\circ\text{C}$.
• Xác định dung lượng hấp phụ màu: Đo quang phổ trên máy so màu Orbeco-Hellige 975MP tại bước sóng $\lambda = 490\text{ nm}$ đối với Red Phenol và Eriochrome Blue SE; xác định đơn vị màu CU tại bước sóng $\lambda = 420\text{ nm}$ ($1\text{ mg/L} \approx 5000\text{ CU}$).
• Đo nồng độ vô cơ: Xác định hàm lượng Amoni ($NH_3\text{-}N$) bằng phương pháp Nessler và Nitrate ($NO_3^-\text{-}N$) bằng thuốc thử acid 2,4-disulphophenic tại $\lambda = 410\text{ nm}$.

---

Phát hiện chính (Key Findings)

Nghiên cứu mang lại những kết quả định lượng rõ rệt trên cả quy mô phòng thí nghiệm và thử nghiệm thực tế:

Mẫu vật liệu	Độ trương nở ($g/g$)	Hàm lượng Gel (%)	Dung lượng hấp phụ màu (%)	Số chu kỳ tái sử dụng
HN1 (Mẫu chuẩn 2004)	$70.6 \pm 2.3$	$65.1 \pm 2.1$	$81.6 \pm 2.7$	4 lần
HN2 (Mẫu tối ưu đề tài)	$\mathbf{100.2 \pm 2.7}$	$\mathbf{58.2 \pm 1.9}$	$\mathbf{85.6 \pm 2.1}$	4 lần
HN3	$200.5 \pm 4.1$	$49.6 \pm 1.7$	$89.1 \pm 2.3$	3 lần
SG1 / SG2 / SG3	$100.3 - 300.5$	$43.4 - 56.1$	$58.7 - 69.4$	1 lần
TBKM (Lưỡng cực CAS)	$1.61 \pm 0.04$	$92.0 \pm 2.0$	$83.0 \pm 1.9$	-
HL1 (Hạt lọc bọc màng)	$1.23 \pm 0.02$	$58.2 \pm 1.9$	$55.1 \pm 1.2$	1 lần

1. Tối ưu hóa cấu trúc mạng lưới polymer HN2

Vật liệu HN2 (phối trộn PVA – Tinh bột – Chitosan – HPA – PEO với liều chiếu 5 kGy) thể hiện sự cân bằng vượt trội giữa độ bền cơ lý và khả năng hút giữ dung dịch. Sự có mặt của tinh bột và ion Borat giúp tạo các liên kết ngang Bisdiol, gia tăng độ dẻo dai và hạn chế hiện tượng rã màng trong nước. HN2 đạt dung lượng hấp phụ thuốc nhuộm đạt trên 85.6% (hấp phụ được $21.4\text{ mg Red Phenol/g vật liệu khô}$).

2. Tác dụng cộng hưởng của các nhóm chức hóa học

Khác với than hoạt tính trơ, phổ hồng ngoại (FTIR) của tinh bột khâu mạch và hydrogel biến tính cho thấy sự hiện diện dày đặc của các nhóm amin hoạt hóa ($-NH_2, -NH_3^+$), carboxyl ($-COO^-$) và hydroxyl ($-OH$). Trong môi trường pH thích hợp, các nhóm chức này tạo ra lực hút tĩnh điện liên kết mạnh với anion sulfonat ($R\text{-}SO_3^-$) của phẩm nhuộm màu azo, gia tăng đáng kể tốc độ và dung tích hấp phụ.

3. Cơ chế khử màu và khoáng hóa sinh học liên hoàn

Vi sinh vật cố định trên giá thể HN2 và TBKM xử lý phẩm nhuộm qua quy trình 3 giai đoạn chặt chẽ:

1. Hấp thụ bề mặt: Phân tử màu khuếch tán và bám giữ vào lớp vỏ chitin của vi sinh vật.
2. Khử màu kỵ khí: Hệ enzyme reductase cắt đứt liên kết azo $-N=N-$ chuyển hóa phẩm nhuộm màu thành các amin thơm không màu.
3. Khoáng hóa hiếu khí: Các amin thơm tiếp tục bị phân cắt vòng qua các phản ứng xúc tác của enzyme oxygenase, chuyển thành hợp chất trung gian (pyruvate, succinyl-CoA, acetyl-CoA) đi vào chu trình Krebs giải phóng hoàn toàn thành $CO_2$, $H_2O$ và sinh khối tế bào.

[Phẩm nhuộm Azo: R₁-N=N-R₂]
[Amin thơm không màu: R₁-NH₂ + R₂-NH₂]
[Axit hữu cơ & Sản phẩm trung gian]
[CO₂ + H₂O + Sinh khối vi sinh vật]

4. Hiệu quả ứng dụng xử lý nước thải thực địa

• Xử lý Amoni & Nitrate: Hạt lọc bọc màng HL1 cho hiệu suất xử lý $NH_3\text{-}N$ lên tới 88.3% sau 48 giờ (vượt trội so với 46.2% của hạt lọc không bọc màng HL0).
• Thực nghiệm tại Làng nghề Vạn Phúc & Công ty Dệt 8-3: Chế phẩm sinh học cố định HN2.vs làm giảm trên 80% độ màu nước thải dệt nhuộm thực tế, giúp chất lượng nước sau xử lý tiệm cận tiêu chuẩn xả thải môi trường mà không phát sinh bùn lắng hóa chất độc hại.

---

Đóng góp khoa học (Scientific Contributions)

                     ĐÓNG GÓP CỦA ĐỀ TÀI
[Khoa học & Học thuật]                      [Công nghệ & Ứng dụng]
 • Lý thuyết khâu mạch bức xạ Co-60          • Quy trình công nghệ sạch, không hóa chất
 • Cơ chế liên hoàn Kỵ khí - Hiếu khí        • Giá thành rẻ từ tinh bột sắn & chitosan
 • Động học hấp phụ nhóm chức -SO₃⁻ / -NH₃⁺  • Ứng dụng thực tế tại xí nghiệp dệt & làng nghề

Đóng góp về mặt học thuật và lý thuyết

• Làm sáng tỏ cơ chế khâu mạch bức xạ gamma trên hệ polymer lai ghép giữa polymer tự nhiên (tinh bột, chitosan) và polymer tổng hợp (PVA, PEO, HPA) trong môi trường hồ đặc đồng thể.
• Xác lập cơ chế động học kết hợp giữa hấp phụ hóa lý qua mạng lưới không gian 3 chiều và quá trình khoáng hóa sinh học phẩm nhuộm azo qua con đường chuyển hóa enzyme hai pha.

Đổi mới về mặt phương pháp và công nghệ

• Làm chủ quy trình chiếu xạ Co-60 điều khiển mật độ gel và độ trương nở mà không cần sử dụng các chất khơi mào hóa học độc hại.
• Phát triển thành công giá thể polymer sinh học có khả năng giữ mật độ tế bào vi sinh vật cực cao ($\sim 10^{15}\text{ CFU/g}$), bảo vệ vi sinh vật khỏi các cú sốc tải lượng hữu cơ trong dòng thải.

Giá trị thực tiễn và định hướng chính sách

• Sử dụng nguồn nguyên liệu dồi dào, giá rẻ sẵn có trong nước (tinh bột sắn, phụ phẩm vỏ tôm chitosan), giúp hạ giá thành vật liệu xử lý nước thải.
• Cung cấp mô hình xử lý nước thải dệt nhuộm phân tán hiệu quả cao, áp dụng thích hợp cho các cụm công nghiệp vừa và nhỏ cũng như các làng nghề dệt lụa truyền thống tại Việt Nam.

---

Đối tượng quan tâm (Target Audience)

Nghiên cứu mang lại giá trị ứng dụng và tham khảo chuyên sâu cho các nhóm đối tượng:

• Các nhà nghiên cứu & Viện nghiên cứu: Các chuyên gia trong lĩnh vực hóa học bức xạ, vật liệu polymer sinh học, công nghệ sinh học môi trường và kỹ thuật hạt nhân ứng dụng.
• Kỹ sư vận hành & Doanh nghiệp dệt may: Các nhà quản lý trạm xử lý nước thải, kỹ sư công nghệ môi trường tại các nhà máy dệt nhuộm, may mặc, thuộc da, sản xuất sơn tìm kiếm giải pháp tối ưu hóa chi phí vận hành và nâng cao hiệu quả khử màu.
• Cơ quan quản lý nhà nước & Hoạch định chính sách: Ban quản lý các khu công nghiệp, Sở Tài nguyên & Môi trường, cơ quan giám sát môi trường làng nghề tìm kiếm các công nghệ xử lý nước thải thân thiện với môi trường để nhân rộng mô hình.

---

Câu hỏi thường gặp (FAQ)

1. Điểm nổi bật nhất của vật liệu polymer khâu mạch HN2 so với than hoạt tính truyền thống là gì?

Vật liệu HN2 sở hữu cấu trúc mạng lưới 3D với độ trương nở lên đến 100 g/g và chứa nhiều nhóm chức hoạt hóa ($-NH_2, -COO^-, -OH$). Nhờ đó, HN2 có lực liên kết tĩnh điện mạnh mẽ với các phân tử phẩm màu anion, dung lượng hấp phụ vượt trội ($>20\text{ mg/g}$), bền cơ học và có thể tái sử dụng tới 4 lần thông qua giải hấp phụ đơn giản.

2. Công nghệ chiếu xạ Gamma đóng vai trò gì trong quá trình chế tạo vật liệu?

Chiếu xạ chùm tia Gamma từ nguồn Co-60 kích thích quá trình xạ ly nước tạo ra các gốc tự do hoạt động, giúp khâu mạch và ghép mạch các chuỗi polymer (PVA, tinh bột, chitosan) với nhau mà hoàn toàn không cần sử dụng hóa chất khơi mào độc hại, đảm bảo an toàn tuyệt đối cho vi sinh vật cố định sau này.

3. Vì sao cần kết hợp cả hai pha phân giải kỵ khí và hiếu khí để xử lý thuốc nhuộm màu?

Thuốc nhuộm azo có liên kết $-N=N-$ chỉ bị cắt đứt hiệu quả trong điều kiện kỵ khí nhờ enzyme reductase để tạo thành các amin thơm. Tuy nhiên, các amin thơm này lại rất độc và chỉ có thể bị oxy hóa, bẻ gãy vòng thơm để khoáng hóa thành $CO_2$ và $H_2O$ trong pha phân giải hiếu khí. Sự kết hợp liên hoàn hai pha là bắt buộc để xử lý triệt để ô nhiễm.

4. Chế phẩm HN2.vs có bị rửa trôi vi sinh vật khi hoạt động liên tục trong nước thải không?

Không. Nhờ cấu trúc lỗ xốp 3 chiều và các tâm hoạt tính sinh học của polymer, vi sinh vật được bám dính và giữ chặt trên giá thể với mật độ cao, giúp hệ thống duy trì sinh khối ổn định, chịu được tải lượng ô nhiễm lớn và chống sốc tải tốt hơn nhiều so với bùn hoạt tính lơ lửng.

5. Khả năng ứng dụng thực tế của công nghệ này tại Việt Nam như thế nào?

Rất khả thi. Đề tài đã thử nghiệm thành công trên nguồn nước thải thực tế của Làng lụa Vạn Phúc và Công ty Dệt 8-3, đạt hiệu suất khử màu trên 80%. Chi phí sản xuất vật liệu thấp nhờ tận dụng tinh bột sắn và chitosan nội địa kết hợp cơ sở hạ tầng chiếu xạ sẵn có tại các trung tâm chiếu xạ quốc gia.

---

Kết luận (Conclusion)

Đề tài "Nghiên cứu chế tạo vật liệu polymer khâu mạch bức xạ hấp phụ thuốc nhuộm màu và chế phẩm cố định vi sinh vật" do Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân thực hiện là một minh chứng tiêu biểu cho sự giao thoa thành công giữa công nghệ bức xạ hạt nhân và công nghệ sinh học môi trường.

Sự kết hợp hoàn hảo giữa vật liệu hấp phụ tiên tiến HN2 và hệ vi sinh vật phân giải liên hoàn kỵ khí – hiếu khí đã giải quyết triệt để bài toán xử lý màu nước thải dệt nhuộm độc hại. Hướng nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc tự động hóa dây chuyền chế tạo vật liệu quy mô công nghiệp và triển khai lắp đặt hệ thống module xử lý liên tục tại các cụm làng nghề dệt nhuộm trên toàn quốc.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Bé khoa häc vµ c«ng nghÖ viÖn n¨ng l−îng nguyªn tö viÖt nam ------------------------------------------------------ B¸o c¸o tæng kÕt ®Ò tµi khoa häc c«ng nghÖ cÊp bé 2005 - 2006 nghiªn cøu chÕ t¹o vËt liÖu polymer kh©u m¹ch bøc x¹ hÊp phô thuèc nhuém mµu vµ chÕ phÈm cè ®Þnh vi sinh vËt cã kh¶ n¨ng ph©n gi¶i mét sè chÊt h÷u c¬ g©y « nhiÔm m«i tr−êng. C¬ quan chñ tr×: ViÖn Khoa Häc vµ Kü ThuËt H¹t Nh©n Chñ nhiÖm ®Ò tµi: Th. NCVC NguyÔn V¨n Toµn 6679 23/11/2007 Hµ Néi, Th¸ng 07/2007 Danh s¸ch c¸c c¸n bé tham gia thùc hiÖn ®Ò tµi 1. §Æng §øc NhËn ViÖn Khoa häc vµ Kü thuËt H¹t Nh©n 2.

Lª thÞ §Ýnh nt 3. NguyÔn V¨n BÝnh nt 4. NguyÔn Thuý B×nh nt 5. NguyÔn §×nh D−¬ng nt 6.

NguyÔn M¹nh Hïng nt 7. §ç ThÞ Tè Uyªn ViÖn C«ng NghÖ Sinh Häc 8. Ng« §×nh Quang BÝnh nt 9. Lª Kh−¬ng Thuý nt 2 MôC LôC §Ò môc - trang.

Ng−êi tham gia 2 Môc lôc 3 C¸c tõ viÕt t¾t 5 PhÇn I - më ®Çu 8 PhÇn II - Lý thuyÕt, tæng quan 11 1. Nhu cÇu vµ biÖn ph¸p xö lý th¶i 12 3. Vai trß cña vi sinh vËt trong xö lý n−íc th¶i 15 4. øng dông c«ng nghÖ bøc x¹ trong c¶i biÕn chÕ t¹o vËt liÖu 27 4.

C¬ së øng dông c«ng nghÖ bøc x¹ c¶i biÕn vµ chÕ t¹o vËt liÖu 27 4. C¬ chÕ hÊp phô chÊt mµu cña vËt liÖu kh©u m¹ch 30 5. Mét sè ph−¬ng ph¸p xö lý th¶i theo nguyªn t¾c 32 sinh häc th−êng ®−îc ¸p dông 6. HiÖn tr¹ng xö lý n−íc th¶i « nhiÔm mµu t¹i ViÖt nam 34 PhÇn III - vËt liÖu vµ ph−¬ng ph¸p 36 1.

Ph−¬ng ph¸p 36 2.T¹o vËt liÖu Polymer kh©u m¹ch hÊp phô thuèc nhuém mµu 36 2. C¸c vËt liÖu cè ®Þnh vi sinh vËt 38 2. X¸c ®Þnh ®é tr−¬ng vµ hµm l−îng gel cña vËt liÖu kh©u m¹ch 38 2. X¸c ®Þnh kh¶ n¨ng hÊp phô mµu cña vËt liÖu 39 2.

Ph©n lËp, tuyÓn chän vµ nh©n gièng c¸c chñng vi sinh vËt 39 cã kh¶ n¨ng hÊp phô vµ ph©n huû thuèc nhuém mµu. T¹o chÕ phÈm cè ®Þnh vi sinh vËt 40 2. X¸c ®Þnh Nitrate trong n−íc 41 2. §o Amoni NH3- N trong n−íc: 42 2.

X¸c ®Þnh kh¶ n¨ng hÊp phô vµ ph©n gi¶i chÊt nhuém mµu 42 cña chÕ phÈm cè ®Þnh vi sinh vËt. Dùng ®−êng chuÈn hµm l−îng chÊt nhuém mµu 43 2. T−¬ng quan chuyÓn ®æi hÖ sè ®o mg/l vµ CU 43 phÇn IV- kÕt qu¶ vµ th¶o luËn 45 1. VËt liÖu kh©u m¹ch bøc x¹ 45 2.

VËt liÖu thu thËp 46 2. VËt liÖu kh©u m¹ch ®−îc chÕ t¹o t¹i ViÖn NLNT 46 2. Tinh bét kh©u m¹ch- TBKM 46 2. X¸c ®Þnh ®é tr−¬ng, hµm l−îng gel vµ dung l−îng 49 hÊp phô chÊt nhuém mµu cña c¸c vËt liÖu chÕ t¹o vµ thu thËp.

C¸c yÕu tè ¶nh h−ëng tíi kh¶ n¨ng hÊp phô chÊt nhuém mµu 51 cña c¸c vËt liÖu ®· tuyÓn chän: TBKM vµ vËt liÖu HN2 4.Tinh bét kh©u m¹ch TBKM 51 3 4.1 ¶nh h−ëng cña pH tíi kh¶ n¨ng hÊp phô cña TBKM 51 4. ¶nh h−ëng cña hµm l−îngTBKM 52 4. ¶nh h−ëng cña thêi gian xö lý 53 4. VËt liÖu kh©u m¹ch- HN2: 54 4.

¶nh h−ëng cña liÒu x¹ tíi hµm l−îng gel vµ ®é tr−¬ng 54 cña vËt liÖu kh©u m¹ch HN2. ¶nh h−ëng cña hµm l−îng HN2 56 4. ¶nh h−ëng cña pH 56 4. ¶nh h−ëng cña thêi gian xö lý 58 5.

Kh¶ n¨ng hÊp phô thuèc nhuém mµu cña vËt liÖu 58 ®· tuyÓn chän TBKM vµ HN2 trong n−íc th¶i 6. Gi¶i hÊp thô thuèc nhuém mµu ®Ó t¸i sö dông vËt liÖu 59 6. Sù hÊp phô thuèc nhuém mµu 59 6. Gi¶i hÊp phô thuèc nhuém mµu 60 7.

Ph©n lËp, tuyÓn chän vµ nh©n gièng vi sinh vËt cã kh¶ n¨ng 63 ph©n huû thuèc nhuém mµu 8. Kh¶ n¨ng hÊp phô mµu cña tËp hîp chñng vi sinh vËt 64 9. T¹o chÕ phÈm cè ®Þnh vi sinh vËt 65 10. Kh¶ n¨ng hÊp phô vµ ph©n gi¶i chÊt nhuém mµu cña vËt liÖu vµ 67 chÕ phÈm vi sinh Sù ph©n gi¶i chÊt mµu 69 11.

Kh¶ n¨ng hÊp phô vµ ph©n gi¶i chÊt nhuém mµu trong n−íc th¶i 74 12. øng dông thùc tÕ vµ ®¸nh gi¸ kh¶ n¨ng øng dông thùc tÕ 75 12. Xö lý n−íc th¶i cña c¸c x−ëng nhuém lôa V¹n Phóc Hµ §«ng 75 12. Xö lý trong phßng thÝ nghiÖm 75 12.

Xö lý n−íc th¶i t¹i x−ëng nhuém cña lµng nghÒ V¹n Phóc 77 12. Xö lý n−íc th¶i XÝ nghiÖp nhuém C«ng ty dÖt 8 – 3 78 12. Xö lý trong phßng thÝ nghiÖm 78 12. Xö lý n−íc th¶i t¹i XÝ nghiÖp nhuém C«ng ty dÖt 8-3 81 12.

§¸nh gi¸ kh¶ n¨ng øng dông thùc tÕ cña vËt liÖu kh©u m¹ch 85 HN2; TBKM vµ chÕ phÈm cè ®Þnh vi sinh HN2. Quy tr×nh kü thuËt xö lý n−íc th¶i cã chøa thuèc nhuém mµu 87 PhÇn V - KÕt luËn 90 Phô Lôc 93 Tµi liÖu tham kh¶o 100 4 C¸c tõ viÕt t¾t TT Ký hiÖu Chó thÝch 1 PVA Polyvinyl alcohol 2 PEO Polyethylene oxide 3 CMC Carboxylmethyl cellulose 4 Ct Chitin 5 Cts Chitosan 6 CMCts Carboxymethyl Chitosan 7 HPA Hydrolyzed PolyAcrylamide 8 EB Eriochrome Blue - SE (C16 H9 Cl N2 Na O9 S2) 9 RP Red Phenol (C19 H14 O5 S) 10 HN2 VËt liÖu kh©u m¹ch bøc x¹ t¹o tõ hçn hîp PVA 5% - Starch 5% – PEO 0,5% - HPA 3% - chitosan 1% - Borax 0,1%, chiÕu x¹ 5 kGy trªn nguån 60 Co.vs VËt liÖu HN2 cè ®Þnh c¸c chñng vi sinh ph©n lËp ®−îc tõ n−íc th¶i vµ dung dÞch RP bÞ nhiÔm vi sinh. 12 TBKM Tinh bét kh©u m¹ch 13 TBKM.vs Tinh bét kh©u m¹ch cè ®Þnh c¸c chñng vi sinh ph©n lËp ®−îc tõ n−íc th¶i vµ dung dÞch RP bÞ nhiÔm vi sinh. 14 HL0 H¹t läc n−íc ch−a bäc mµng cña ViÖn C«ng nghÖ Sinh häc cung cÊp 15 HL1 H¹t läc n−íc HL0 ®· bäc mµng bao b»ng hèn hîp dung dÞch t¹o vËt liÖu kh©u mach HN2 ®· chiÕu x¹ 16 HL1.vs HL1 cè ®Þnh c¸c chñng vi sinh ph©n lËp ®−îc tõ n−íc th¶i vµ dung dÞch RP bÞ nhiÔm vi sinh 17 SG1, SG2, VËt liÖu kh©u m¹ch do Trung T©m nghiªn cøu vµ triÓn SG3 khai C«ng nghÖ Bøc x¹ Tp.

Hå ChÝ Minh cung cÊp 18 CU (colour units): §¬n vÞ ®o mÇu trong dung dÞch cã nång ®é kh«ng x¸c ®Þnh. Trong dung dÞch mÇu ®¬n (vÝ dô dung dÞch mµu RP) biÕt chÝnh x¸c nång ®é: 1mg/l t−¬ng ®−¬ng 5000 CU. 19 NAD+ Nicotinamide-adenine-dinucleotide (d¹ng oxy ho¸) 20 NADH Nicotinamide-adenine-dinucleotide (d¹ng khö) 21 NADP+ Nicotinamide-adenine-dinucleotide-phosphate (d¹ng oxy ho¸) 22 NADPH Nicotinamide-adenine-dinucleotide-phosphate(d¹ng khö) 23 CoA Coenzyme A 24 FAD Flavinadenine dinucleotide 25 FADH2 Flavinadenine dinucleotide (d¹ng khö) 26 FMN Flavin mononucleotide 5 Nghiªn cøu chÕ t¹o vËt liÖu polymer kh©u m¹ch bøc x¹ hÊp phô thuèc nhuém mµu vµ chÕ phÈm cè ®Þnh vi sinh vËt cã kh¶ n¨ng ph©n gi¶i mét sè chÊt h÷u c¬ g©y « nhiÔm m«i tr−êng. NguyÔn V¨n Toµn, §Æng §øc NhËn, Lª thÞ §Ýnh, TrÇn B¨ng DiÖp, NguyÔn Thuý B×nh, NguyÔn v¨n BÝnh, NguyÔn Manh Hïng.

ViÖn Khoa Häc vµ Kü ThuËt H¹t Nh©n, ViÖn NLNTVN. C¸c chÊt nhuém mµu cña nghµnh c«ng nghiÖp s¬n, trang trÝ néi thÊt vµ in- dÖt-nhuém lµ mét trong nh÷ng nguån g©y « nhiÔm m«i tr−êng, ®éc h¹i cho ng−êi vµ ®éng vËt. HiÖn nay c¸c biÖn ph¸p xö lý chÝnh ®èi víi lo¹i chÊt g©y « nhiÔm nµy lµ c«ng nghÖ hÊp phô, ph©n huû vµ chuyÓn ho¸ chóng thµnh c¸c chÊt Ýt ®éc h¬n. ChÊt hÊp phô chÝnh hiÖn nay sö dông lµ than ho¹t tÝnh, nh−ng hiÖu suÊt hÊp phô cña chÊt hÊp phô nµy thÊp, mÆt kh¸c nã l¹i kh«ng chøa c¸c nhãm chøc ®Æc biÖt nh− methylcarboxy (-CH2COO-) hay nhãm amin (-NH2) cã kh¶ n¨ng tham gia vµo c¸c ph¶n øng hÊp phô hay cè ®Þnh bæ sung lµm t¨ng hiÖu qu¶ xö lý.

C«ng nghÖ bøc x¹ hiÖn ®ang ®−îc coi lµ c«ng nghÖ s¹ch vµ ®−îc øng dông trong nhiÒu ngµnh kinh tÕ trong ®ã cã ngµnh chÕ t¹o vµ c¶i biÕn vËt liÖu nh»m t¹o ra c¸c vËt liÖu cã tÝnh n¨ng ®Æc biÖt nh− cã ®é tr−¬ng n−íc cao, bÒn c¬ häc, dÎo, bÒn trong m«i tr−êng cã d¶i pH réng. dïng trong n«ng nghiÖp, t¹o mµng bao b¶o qu¶n qu¶ t−¬i, hÊp phô kim lo¹i nÆng, cè ®Þnh vi sinh xö lý m«i tr−êng. Trong nghiªn cøu nµy, ¸p dông ph−¬ng ph¸p chiÕu x¹ gamma chÕ t¹o vËt liÖu vµ chÕ phÈm cè ®Þnh vi sinh cã kh¶ n¨ng hÊp phô, phÈn gi¶i chÊt nhuém mµu cã trong n−íc th¶i cña c«ng ty dÖt ®· ®−îc thùc hiÖn. VËt liÖu kh©u m¹ch bøc x¹ HN2 ®−îc chÕ t¹o tõ c¸c polyme tù nhiªn (tinh bét, chitosan) vµ polyme tæng hîp lµ PVA, PEO, HPA, vËt liÖu cã ®é tr−¬ng kho¶ng 100 g/g vµ cã kh¶ n¨ng hÊp phô chÊt nhuém mµu trong dung dÞch còng nh− trong n−íc th¶i cña c«ng ty nhuém (hÊp phô Red phenol vµ Erichome Blue SE trªn 20mg/g vËt liÖu vµ kho¶ng 80 % l−îng mµu trong n−íc th¶i).

ChÕ phÈm cè ®Þnh vi sinh HN2 vµ TBKM.vs ®−îc chÕ t¹o tõ vËt liÖu HN2, tinh bét kh©u m¹ch-TBKM vµ c¸c chñng vi sinh ph©n lËp tõ n−íc th¶i vµ dung dÞch Red phenol nhiÔm vi sinh. C¸c chÕ phÈm HN2.vs cã kh¶ n¨ng hÊp phô vµ ph©n gi¶i mµu trong dung dÞch còng nh− trong n−íc th¶i (hÊp phô Red phenol vµ Erichome Blue SE trªn 20ml/g vËt liÖu vµ kho¶ng 80 % l−îng mµu trong n−íc th¶i) Tõ kho¸: C«ng nghÖ bøc x¹, kh©u m¹ch, cè ®Þnh vi sinh, chiÕu x¹ gamma 6 Studying induction of radiation crosslinking materials for dyes absorption and microorganisms immobilization products for organic pollutant degradation Toan Nguyen Van, Nhan Dang Duc. Dinh Le Thi, Diep Tran Bang, Binh Nguyen Thuy, Binh Nguyen Van, Hung Nguyen Van. Institute for Nuclear Science and Techniques Dyes used in paint, interior decoration and textile industries are organic compounds causing environmental pollution and harm to human and animals.

Adsorption, degradation and transformation are applied for treating these organic compounds. Commonly used adsorbent is activated charcoal, but its adsorption capacity is restricted. On the other hand there are no special functional groups such as methylcarboxy (-CH2COO-) or amin (-NH2), in active charcoal. These groups could take part in adsorption or immobilization so that it could increase the treatment productivity.

Radiation technology has been considered to be a clear technology that is applied in many fields. Among other radiation induced crosslinking of polymer materials to improve its physical properties such as swelling, flexibility and stability under a wide range of pH, appears to be of important practical application. The crosslinking materials with functional groups could be applied in agriculture, preservation of fresh fruits, heavy metal adsorption, and environmental treatment. In this study, application of gamma irradiation to make crosslinking materials for the immobilization of microorganism to absorb and degrade dyes in wastewater of textile factories has been carried out.

HN2 material is made from natural polymers (starch, chitosan) and synthetic polymer (PVA, PEO, and HPA) irradiated with 5 kGy in the air. The swell capacity of the material is about 100g/g. The material can absorb Red phenol or Eriochrome Blue SE dyes from wastewater of textile factories with a capacity about 20mg/g.