CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung về tảo silic (diatom) 1.1 Tảo silic Ngay sau khi trái đất được hình thành, tảo silic (hay còn được gọi là tảo cát) là một trong những sinh vật nguyên sinh xuất hiện sớm nhất trên bề mặt trái đất [3]. Cho đến nay người ta ước tính có hơn 100.000 loài tảo silic khác nhau [1]. Tảo silic là một loài thực vật đơn bào, chủ yếu là quang hợp; tuy nhiên một số ít là dị dưỡng bắt buộc và có thể sống trong điều kiện không có ánh sáng để cung cấp nguồn carbon hữu cơ thích hợp [4]. Loại tảo silic này khi chết đi, lớp vỏ không thể bị phân hủy và tích tụ qua nhiều năm hình thành nên những trầm tích lớn (quặng diatomite) [5].
Tảo silic có thể tìm thấy trong nhiều môi trường sống như nước ngọt, biển, đá ẩm, gỗ và thậm chí cả đất. Chính vì sự đa dạng sinh học, tảo silic đang được quan tâm và nghiên cứu rất nhiều trên thế giới [6].1: Tảo silic và một số lĩnh vực ứng dụng liên quan 1 do an 1.2 Đặc điểm cấu trúc của tảo silic Tảo silic thường có kích thước từ 2 đến 200 micromet. Hình thái của tảo silic rất đa dạng, tùy vào những phân loài, môi trường sống, kiểu sống đơn bào hay tập thể chúng có những hình thái tự nhiên khác nhau. Chúng có thể tồn tại thành cụm ở dạng các sợi mảnh (Fragillaria), quạt (Meridion), zic-zắc (Tabellaria), hay hình sao (Asterionella) [7].2: Kính hiển vi điện tử quét (SEM) của một số hình dạng khác nhau và cấu trúc của một số loài tảo cát [8].
Điểm đặc trưng của các tế bào tảo cát là chúng được bao bọc bên trong một thành tế bào được làm bằng silica, được gọi là vỏ tảo (frustule/skeleton) [9]. Vỏ tảo có nhiều hình 2 do an dạng phụ thuộc vào gen và môi trường sinh sống của tảo. Lớp vỏ này được cấu tạo từ hai van có kích thước khác nhau và có thể lồng ghép vào nhau, tùy theo mức độ phát triển của tế bào. Mỗi van tồn tại rất nhiều lỗ chân lông, xương sườn, gai phút, đường rìa với sự hiện diện của lỗ rỗng với kích thước khác nhau được sắp xếp từ ngoài vào trong theo chiều bé dần của kích cỡ (hình 1.
Chính vì vậy, các loại vỏ tảo này có cấu trúc rỗng, xốp.3: a) Mô tả mặt cắt của vỏ tảo. b) Kính hiển vi điện tử quét (SEM) cấu trúc của các mặt cắt vỏ tảo [2] 3 do an 1.2 Khoáng diatomite 1.1 Diatomite và sự hình thành của diatomite Diatomite (SiO2.nH2O) là một loại khoáng sản trầm tích có nguồn gốc từ loại tảo vỏ silic bị chôn vùi lâu ngày dưới đất mà thành [10]. Diatomite còn có tên khác là kiezelguhr (tiếng Đức), đất tảo silic hay đất bầu. Diatomite có màu thay đổi từ trắng xám, vàng đến đỏ tùy thuộc vào thành phần oxit chứa trong chúng.
Diatomite tỉ trọng nhẹ, có độ xốp và diện tích bề cao do các lỗ hỗng rất nhỏ và đều của vỏ tảo.4: Sản phẩm bột Diatomite của công ty Qingdao Haizhilong Business Co. Diatomite được tạo thành từ các mảnh vỏ tảo cát, có cấu tạo từ oxit silic dạng opal vô định hình [11]. Ngoài các mảnh vỏ tảo cát, trong diatomite còn có thể có số lượng nhỏ gai xương bọt biển. Hàm lượng mảnh vỏ tảo cát trong diatomite chiếm từ 50% trở lên với số lượng mảnh vỏ từ 5-7 triệu đến 100 triệu mảnh vỏ/gam đá.
Nguồn vật liệu oxit silic dạng opal vô định hình cấu tạo nên vỏ tảo có cấu trúc khung với nhiều lỗ mao quản kích thước nhỏ 0,5-3 m. Các mảnh vỏ tảo thường có dạng đốt trúc tồn tại dạng quần thể hoặc từng đốt đơn lẻ kích thước từ 3-5 đến 30 m, thậm chí bị vỡ vụn, dập nát [12]. 4 do an Tùy thuộc vào điều kiện thổ nhưỡng hình thành, diatomite trên thế giới luôn có tồn tại một số tạp chất và thành phần hóa học khác nhau như bảng 1.1: Thành phần hóa học của một số loại diatomite trên thế giới [12] Thành phần (%) SiO2 Al2O3 Fe2O3 Na2O K2O CaO MgO MKN Quảng Đông, Trung Quốc 82,9 5,75 1,41 0,06 0,06 0,24 0,21 7,93 Chiết Giang, Trung Quốc 65 17,50 4,8 0,5 - 1,1 - 11,1 Suizhou, Trung Quốc 71,4 13,26 5,5 6,7 0,11 1,94 0,15 0,91 KomOsheem, Ai Cập 83,6 4,24 1,07 - - 6,17 - 4,86 Mascara, Angeri 72,1 5,3 3,8 0,65 0,54 7,2 2,6 7,44 Amman, Jordan 72,5 11,42 5,81 7,21 0,69 1,48 0,25 0,64 Michoacan, Mexico 70,4 13,52 3,37 0,17 0,3 0,66 0,42 11,18 Anotolia, Thổ Nhĩ Kỳ 69,7 11,5 0,65 0,8 1,4 - - 15,3 MKN: Lượng mất khi nung 1.2 Trữ lượng diatomite trên thế giới và Việt Nam Trữ lượng diatomite trên thế giới được Cục Mỏ của Mỹ (Mineral Commodity Summaries 2019) dự báo từ năm (2017-2018) khoảng hơn 2 tỉ tấn diatomite. Trong đó, nhiều ở Mỹ có khoảng 250 triệu tấn; Trung Quốc khoảng 110 triệu tấn; tiếp đến Đan Mạch, Mexico… là các nước có trữ lượng cao [13].
Việt Nam là một trong những nước có trữ lượng diatomite cao. Trữ lượng diatomite ở Việt Nam được dự báo khoảng 165 triệu tấn. Phú Yên có trữ lượng cao nhất với khoảng 60 triệu tấn. Theo sau đó, Bảo Lộc có khoảng 8,5 triệu tấn [14].
Theo British Geological Survey/World Mineral Production (2012-2016), sản lượng diatomite hàng năm của Việt Nam là 10 ngàn tấn [15]. Do diatomite rất phong phú về trữ lượng nên diatomite được nghiên cứu và ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực. 5 do an Bảng 1.2: Thống kê trữ lượng diatomite ở một số nước trên thế giới [13] Quốc gia Trữ lượng Sản lượng Sản lượng (Ngàn tấn) 2017 2018 (Ngàn tấn) (Ngàn tấn) Mỹ 250,000 768 790 Trung Quốc 110,000 420 420 Đan Mạch - 440 440 Mexico - 97 100 Nhật - 100 100 Pháp - 75 75 Đức - 52 50 Tây Ban Nha - 50 50 Peru - 110 110 Nam Phi - 270 - Argentina - 57 60 Thổ Nhĩ Kỳ 44.000 62 60 Các nước khác - 224 220 Tổng thế giới Rất nhiều 2,460 2,700 1.3 Tiềm năng thị trường Mỗi năm trên thế giới tiêu thụ vào khoảng hơn 2 triệu tấn diatomite. Dẫn đầu thế giới về sản xuất các sản phẩm từ diatomite là Mỹ với khoảng 750 ngàn tấn/năm, chiếm 1/4 sản lượng thế giới.
Trung Quốc là nước đứng thứ hai: 420 ngàn tấn/năm [13]. Theo dữ liệu dữ liệu sáng chế tiếp cận được, diatomite dùng để làm chất trợ lọc và xử lý môi trường có nhiều sáng chế nhất. Mineral Commodity Summaries đã thống kê tỉ lệ sử dụng diatomite như sau: trợ lọc: 55%, phụ gia xi măng: 23%, chất hấp thụ: 10%, chất đệm: 9%, chất cách ly (nhiệt): 2%, còn 1% dùng trong các ứng dụng khác như dược phẩm, mỹ phẩm…[13] 6 do an 1.3 Giới thiệu về phương pháp hấp phụ Hiện nay có nhiều phương pháp mang thuốc: phương pháp cơ học, phương pháp sinh học, phương pháp hóa lý, phương pháp hóa học và phương pháp hấp phụ. Trong đó phương pháp hấp phụ đang là phương pháp đang được chú ý nhiều trong thời gian gần đây [1] [16] [17].5: Cơ chế hấp phụ Hấp phụ là một phương pháp dựa trên sự tích lũy chất trên bề mặt phân cách các pha (khí – rắn, lỏng – rắn, khí – lỏng, lỏng – lỏng).
Trong đó, chất hấp phụ là chất mà phân tử ở lớp bề mặt có khả năng hút các phần tử của pha khác nằm tiếp xúc với nó. Thông thường, chất hấp phụ có bề mặt riêng càng lớn thì khả năng hấp phụ càng mạnh. Chất bị hấp phụ là chất bị hút ra khỏi pha thể tích đến tập trung trên các bề mặt các chất hấp phụ [18]. Hấp phụ là một quá trình tỏa nhiệt.
Ngược với hấp phụ là quá trình đi ra khỏi bề mặt chất hấp phụ của các phần tử bị hấp phụ gọi là quá trình giải hấp [18]. Quá trình hấp phụ có thể được phân loại bao gồm quá trình hấp phụ hóa học và quá trình hấp phụ vật lý. Quá trình hấp phụ hóa học là một quá trình phức tạp, có thể liên quan đến sự tương tác tĩnh điện giữa các ion kim loại hoặc các lưỡng cực và bề mặt bao gồm các kiểu phản ứng trao đổi ion và phản ứng tạo phức. Hấp phụ vật lý là quá trình gây ra bởi lực Vander Walls giữa phân tử chất bị hấp phụ và bề mặt chất hấp phụ (bảo gồm cả 7 do an ba loại lực: cảm ứng, định hướng, khuếch tán), liên kết này yếu dễ bị phá vỡ.
Vì vậy hấp phụ vật lý có tính thuận nghịch cao [18]. Phương pháp hấp phụ có ưu điểm là vật liệu hấp phụ có thể chế tạo từ các nguồn nguyên liệu tự nhiên hoặc các nguyên liệu tổng hợp, quy trình đơn giản, công nghệ cũng không đòi hỏi thiết bị phức tạp và quá trình hấp phụ không đưa thêm vào môi trường những tác nhân độc hại [17].4 Thuốc nhuộm Rhodamine B Rhodamine là một trong những thuốc nhuộm, được sử dụng chủ yếu để nhuộm len, lụa và làm laser công suất màu. Ngoài ra, Rhodamine còn được dùng để nhuộm tế bào trong công nghệ sinh học [19].1 Công thức cấu tạo và tính chất hóa lý của Rhodamine B Hình 1.6: Công thức cấu tạo Rhodamine B [19]. Rhodamine B là một hợp chất hóa học, có công thức phân tử là C28H31N2O3Cl với công thức cấu tạo của Rhodamine B như hình 1.
Khối lượng phân tử của rhodamine B là 479,02 g/mol. Rhodamine B là những tinh thể màu tối, có ánh xanh, ở dạng bột có màu tím đỏ. Điểm nóng chảy của rhodamine B là 165 0C. Khả năng hòa tan rhodamine B trong dung môi nước ở 20 0C là 0,78 gam/ 100 gam nước, trong khi đó trong dung môi 8 do an ethanol độ tạn của rhodamine B là 1,47 gam/ 100 gam nước.
Khi tan trong nước, dung dịch Rhodamine B có màu hồng và hấp thụ mạnh ở bước sóng 552 nm.2 Tính chất sinh học và ảnh hưởng của thuốc nhuộm Rhodamine B Rhodamine B gây độc cấp và mãn tính. Rhodamine B có thể gây dị ứng hoặc làm mẩn ngứa khi tiếp xúc với da, mắt… Qua đường hô hấp rhodamine B gây ho, ngứa cổ, khó thở, đau ngực. Qua đường tiêu hóa rhodamine B có thể gây nôn mửa, có hại cho gan và thận. Nếu tích tụ dần trong cơ thể gây nhiều tác hại đối với gan, thận, hệ sinh sản, hệ thần kinh cũng như có thể gây ung thư [20].
Thực nghiệm trên chuột cho thấy rhodamine B gây ung thư với liều lượng 89,5 mg/kg qua đường ống hoặc tiêm vào tĩnh mạch [21]. Khi rhodamine B đi vào cơ thể có thể chuyển hóa thành amin thơm tương ứng, các hợp chất chuyển tiếp này có phần độc hại hơn loại thường, gây ung thư và phát triển khối u dạ dày.