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.

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.