Luận Văn Thạc Sĩ: Tạo Nano Cellulose Từ Acetobacter Xylinum Và Ứng Dụng Xử Lý Ion Ni2+

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật hóa học nghiên cứu tạo nano cellulose từ vi sinh vật Acetobacter xylinum, định hướng ứng dụng xử lý ion Ni2+ hiệu quả.

• Tác giả: Phan Tấn Quốc
• Người hướng dẫn: Pgs.ts Lê Thị Hồng Nhân
• Trường học: Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học
• Đề tài: Nghiên cứu tạo nano cellulose từ vi sinh vật Acetobacter xylinum và định hướng ứng dụng xử lý ion Ni2+
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CÁM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. TỔNG QUAN VỀ CELLULOSE VÀ NANO CELLULOSE
• 1.2. Ô NHIỄM KIM LOẠI NẶNG
• 1.2.1. Khái quát về ô nhiễm kim loại nặng
• 1.2.2. Tác dụng sinh hóa của kim loại nặng đối với con người và môi trường
• 1.2.3. Niken (Ni) và tác hại
• 1.3. XỬ LÝ Ô NHIỄM KIM LOẠI NẶNG
• 1.3.1. Phương pháp kết tủa hóa học
• 1.3.2. Phương pháp trao đổi ion
• 1.3.3. Phương pháp lọc màng
• 1.3.4. Phương pháp hấp phụ
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH
• 2.1. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU: HÓA CHẤT, THIẾT BỊ VÀ DỤNG CỤ
• 2.2. CHUẨN BỊ ĐÁNH GIÁ NGUYÊN LIỆU
• 2.3. NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG TẠO HỆ PHÂN TÁN NANO CELLULOSE TỪ SINH KHỐI THƯƠNG MẠI
• 2.4. NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG NANO CELLULOSE TRONG XỬ LÝ ION Ni
• 2.5. CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH VÀ TÍNH SAI SỐ
• 2.5.1. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM)
• 2.5.2. Phương pháp quang phổ hồng ngoại (FT-IR)
• 2.5.3. Phương pháp quang phổ tử ngoại khả kiến (UV-Vis)
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 3.1. CHUẨN BỊ VÀ ĐÁNH GIÁ NGUYÊN LIỆU
• 3.2. NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG TẠO HỆ PHÂN TÁN NANO CELLULOSE TỪ SINH KHỐI THƯƠNG MẠI
• 3.3. ĐÁNH GIÁ VÀ SO SÁNH
• 3.4. NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG NANO CELLULOSE TRONG XỬ LÝ ION Ni
• 3.4.1. Dựng đường chuẩn ion Ni
• 3.4.2. Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu quả xử lý
• 3.4.3. Ảnh hưởng của nồng độ ion Ni trong dung dịch đầu đến hiệu quả xử lý
• 3.4.4. Ảnh hưởng của hình thái cellulose
• 3.4.5. Ảnh hưởng của tỷ lệ nano cellulose/thể tích dung dịch ion Ni
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nano cellulose và Acetobacter xylinum

Nghiên cứu này tập trung vào việc tạo ra nano cellulose từ vi khuẩn Acetobacter xylinum, một loại vi khuẩn có khả năng tổng hợp cellulose hiệu quả. Nano cellulose là vật liệu có kích thước nano, mang lại nhiều tính năng ưu việt như độ bền cơ học cao, khả năng phân hủy sinh học và khả năng hấp thụ nước lớn. Acetobacter xylinum được chọn vì khả năng sản xuất cellulose tinh khiết và hiệu quả, đặc biệt trong môi trường nuôi cấy có đường và oxy. Nghiên cứu này nhằm khai thác tiềm năng của nano cellulose trong việc xử lý ô nhiễm môi trường, đặc biệt là xử lý ion Ni2+.

1.1. Cấu trúc và tính chất của nano cellulose

Nano cellulose có cấu trúc polymer mạch dài, được hình thành từ các phân tử glucose liên kết với nhau qua liên kết β-1,4-glucan. Kích thước nano của vật liệu này mang lại độ bền cơ học cao và khả năng tương thích sinh học tốt. Nano cellulose từ Acetobacter xylinum có độ polymer hóa cao hơn so với cellulose từ thực vật, với kích thước sợi nhỏ hơn và độ tinh khiết cao hơn. Điều này làm cho nó trở thành vật liệu lý tưởng cho các ứng dụng trong y tế, mỹ phẩm và xử lý môi trường.

1.2. Quy trình tổng hợp nano cellulose từ Acetobacter xylinum

Quy trình tổng hợp nano cellulose từ Acetobacter xylinum bao gồm các bước nuôi cấy vi khuẩn trong môi trường có đường, thu thập sinh khối cellulose và xử lý cơ học hoặc hóa học để tạo ra các sợi nano. Phương pháp thủy phân acid và enzyme được sử dụng để giảm kích thước sợi cellulose xuống mức nano. Kết quả cho thấy, phương pháp kết hợp thủy phân acid và enzyme mang lại kích thước hạt nhỏ nhất, phù hợp cho các ứng dụng trong xử lý ion kim loại nặng.

II. Ứng dụng nano cellulose trong xử lý ion Ni2

Nghiên cứu này khảo sát khả năng hấp phụ ion Ni2+ của nano cellulose được tổng hợp từ Acetobacter xylinum. Ion Ni2+ là một trong những kim loại nặng gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, đặc biệt trong nước thải công nghiệp. Nano cellulose được sử dụng như một chất hấp phụ hiệu quả nhờ diện tích bề mặt lớn và khả năng liên kết với các ion kim loại. Kết quả nghiên cứu cho thấy, nano cellulose có hiệu suất hấp phụ ion Ni2+ lên đến 88,7%, chứng minh tiềm năng lớn trong việc xử lý nước thải chứa kim loại nặng.

2.1. Cơ chế hấp phụ ion Ni2 của nano cellulose

Cơ chế hấp phụ ion Ni2+ của nano cellulose dựa trên sự tương tác giữa các nhóm hydroxyl trên bề mặt cellulose với các ion kim loại. Quá trình này được tăng cường nhờ diện tích bề mặt lớn của vật liệu nano, cho phép hấp phụ một lượng lớn ion kim loại trong thời gian ngắn. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, hiệu suất hấp phụ phụ thuộc vào thời gian tiếp xúc, nồng độ ion ban đầu và tỷ lệ nano cellulose/dung dịch.

2.2. Ảnh hưởng của các yếu tố đến hiệu suất hấp phụ

Các yếu tố như thời gian hấp phụ, nồng độ ion Ni2+ ban đầu và hình thái của nano cellulose đều ảnh hưởng đến hiệu suất hấp phụ. Kết quả cho thấy, thời gian hấp phụ tối ưu là 150 phút, với nồng độ ion ban đầu 0,145 mg/g. Hình thái nano cellulose dạng sợi mảnh và kích thước nhỏ hơn mang lại hiệu suất hấp phụ cao hơn so với các dạng khác.

III. Kết luận và đánh giá

Nghiên cứu này đã chứng minh tiềm năng của nano cellulose từ Acetobacter xylinum trong việc xử lý ion Ni2+. Vật liệu này không chỉ hiệu quả trong việc hấp phụ kim loại nặng mà còn thân thiện với môi trường nhờ khả năng phân hủy sinh học. Kết quả nghiên cứu mở ra hướng ứng dụng mới cho nano cellulose trong xử lý nước thải và xử lý ô nhiễm kim loại nặng, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.

3.1. Giá trị thực tiễn của nghiên cứu

Nghiên cứu này mang lại giá trị thực tiễn cao trong việc ứng dụng nano cellulose từ Acetobacter xylinum để xử lý ion Ni2+. Vật liệu này có chi phí thấp, dễ sản xuất và hiệu quả cao, phù hợp để áp dụng trong các hệ thống xử lý nước thải công nghiệp. Đây là một giải pháp xanh và bền vững, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường do kim loại nặng gây ra.

3.2. Hướng phát triển trong tương lai

Trong tương lai, nghiên cứu có thể mở rộng sang việc ứng dụng nano cellulose để xử lý các ion kim loại nặng khác như chì, cadmium và thủy ngân. Ngoài ra, việc cải tiến quy trình sản xuất nano cellulose để tăng hiệu suất và giảm chi phí cũng là hướng nghiên cứu tiềm năng. Sự kết hợp giữa công nghệ nano và công nghệ sinh học sẽ tiếp tục mở ra nhiều cơ hội ứng dụng mới trong tương lai.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm kim loại nặng, đặc biệt là ion Niken (Ni²⁺), đang là vấn đề môi trường nghiêm trọng do tính độc hại và khả năng tích tụ sinh học lâu dài của chúng. Tại Việt Nam, nồng độ Ni²⁺ trong nước thải công nghiệp xi mạ dao động từ 5 đến 85 mg/L, vượt xa tiêu chuẩn cho phép, gây nguy hiểm cho sức khỏe con người và hệ sinh thái. Trong bối cảnh đó, việc phát triển vật liệu hấp phụ hiệu quả, thân thiện môi trường để xử lý ion kim loại nặng là cấp thiết. Nano cellulose vi khuẩn (Bacterial Nano Cellulose - BNC) từ Acetobacter xylinum được xem là vật liệu tiềm năng nhờ tính chất cơ học vượt trội, khả năng phân hủy sinh học và diện tích bề mặt lớn.

Luận văn tập trung nghiên cứu quy trình tạo nano cellulose từ vi sinh vật Acetobacter xylinum, khảo sát ảnh hưởng của các phương pháp đồng hóa cơ học, thủy phân acid và enzyme đến kích thước hạt nano cellulose. Đồng thời, nghiên cứu ứng dụng nano cellulose trong xử lý ion Ni²⁺ trong dung dịch, đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất hấp phụ như thời gian, nồng độ ion, hình thái cellulose và tỷ lệ nano cellulose/dung dịch. Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 8/2015 đến tháng 6/2016 tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh, với nguyên liệu cellulose thu từ hai nguồn chính: sinh khối nuôi cấy tại phòng thí nghiệm và sinh khối thương mại từ Bến Tre.

Kết quả nghiên cứu góp phần mở rộng ứng dụng của nano cellulose vi khuẩn trong lĩnh vực xử lý môi trường, đặc biệt là xử lý nước thải kim loại nặng, đồng thời cung cấp cơ sở khoa học cho việc phát triển vật liệu hấp phụ sinh học hiệu quả, thân thiện với môi trường.

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:

• Cấu trúc và tính chất của cellulose vi khuẩn (BC) và nano cellulose: BC là polymer β-1,4-glucan được tổng hợp bởi Acetobacter xylinum với kích thước nano, độ tinh khiết cao, không chứa lignin và hemicellulose, có độ bền cơ học cao và khả năng giữ nước đến 99%. Nano cellulose là dạng cellulose được thu nhỏ và tái cấu trúc ở cấp độ nano, có cấu trúc mạng 3D siêu mịn, kích thước sợi nano từ 3-8 nm, có tính chất cơ học vượt trội và khả năng hấp phụ cao.

• Phương pháp tạo nano cellulose: Bao gồm phương pháp cơ học (đồng hóa cơ học, sử dụng lực cắt và xé), phương pháp hóa học (thủy phân acid để loại bỏ vùng vô định hình), và phương pháp thủy phân enzyme (sử dụng các enzyme như Endoglucanase, Cellobiohydrolase để phân hủy cellulose).

• Quá trình hấp phụ ion kim loại nặng: Dựa trên cơ chế hấp phụ vật lý và hóa học, trong đó các ion kim loại được giữ lại trên bề mặt vật liệu nhờ tương tác Van der Waals hoặc tạo phức với các nhóm chức năng trên bề mặt nano cellulose.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Nguyên liệu cellulose được lấy từ hai nguồn chính: sinh khối nuôi cấy Acetobacter xylinum tại phòng thí nghiệm Trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh và sinh khối thương mại từ cơ sở Thanh Vũ, Bến Tre.

• Phương pháp phân tích: Kích thước hạt và phân bố kích thước được xác định bằng Laser Diffraction Spectrometry (LDS). Hình thái và cấu trúc bề mặt được khảo sát bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM). Thành phần hóa học và cấu trúc phân tử được phân tích bằng phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR) và phổ tử ngoại khả kiến (UV-Vis).

• Quy trình tạo nano cellulose: Bao gồm đồng hóa cơ học với thiết bị Philips HR1613 ở các điều kiện thời gian và nồng độ khác nhau, kết hợp thủy phân acid H₂SO₄ ở các nồng độ 2%, 5%, 10% và thủy phân enzyme với các loại enzyme Termamyl SC, Viscozyme L và Cellic CTec 2 ở các nồng độ và thời gian khác nhau.

• Nghiên cứu hấp phụ ion Ni²⁺: Dung dịch ion Ni²⁺ được chuẩn bị với nồng độ từ 16,25 đến 214,75 mg/L. Các thí nghiệm hấp phụ được thực hiện ở pH cố định 6,2, khảo sát ảnh hưởng của thời gian, nồng độ ion, hình thái cellulose và tỷ lệ nano cellulose/dung dịch đến hiệu suất hấp phụ. Nồng độ ion Ni²⁺ còn lại được xác định bằng phương pháp UV-Vis với thuốc thử Dimethylglyoxime (DMG).

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện từ tháng 8/2015 đến tháng 6/2016, bao gồm các giai đoạn chuẩn bị nguyên liệu, đồng hóa và thủy phân cellulose, phân tích đặc tính vật liệu, thí nghiệm hấp phụ ion Ni²⁺ và xử lý dữ liệu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của phương pháp đồng hóa và thủy phân đến kích thước nano cellulose:

   • Mẫu sinh khối nuôi cấy tại trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh khi đồng hóa cơ học không sục khí và kết hợp thủy phân acid 2% cho kích thước hạt nhỏ nhất, trung bình khoảng 91 µm.
   • Sinh khối thương mại từ Bến Tre khi xử lý bằng phương pháp cơ học kết hợp thủy phân enzyme cho kích thước hạt nhỏ nhất, kích thước hạt giảm đáng kể so với phương pháp chỉ đồng hóa cơ học.

2. Ảnh hưởng của nồng độ cellulose và thời gian đồng hóa:

   • Tăng nồng độ cellulose từ 1% lên 5% làm tăng kích thước hạt trung bình từ khoảng 0,14 g đến 0,7 g khối lượng cellulose rắn tương đương.
   • Thời gian đồng hóa kéo dài từ 90 đến 180 phút làm giảm kích thước hạt trung bình, tối ưu ở 150 phút với kích thước hạt nhỏ nhất.

3. Hiệu quả hấp phụ ion Ni²⁺ của nano cellulose:

   • Hiệu suất hấp phụ đạt tối đa 88,7% với lượng nano cellulose 100,27 g trong dung dịch Ni²⁺ 163,5 mg/L sau 480 phút.
   • Thời gian hấp phụ ảnh hưởng rõ rệt, với 50% ion Ni²⁺ được hấp phụ trong 60 phút đầu tiên.
   • Nồng độ ion Ni²⁺ ban đầu tăng từ 16,25 đến 214,75 mg/L làm giảm hiệu suất hấp phụ do bão hòa bề mặt hấp phụ.
   • Hình thái cellulose ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ; cellulose dạng huyền phù cho hiệu quả hấp phụ cao hơn so với cellulose đã sấy khô.
   • Tỷ lệ nano cellulose/dung dịch tăng từ 0,1758 g đến 1,4030 g trên 100 mL dung dịch làm tăng hiệu suất hấp phụ, đạt bão hòa ở mức cao hơn 1 g.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy phương pháp đồng hóa cơ học kết hợp thủy phân enzyme là hiệu quả nhất trong việc tạo ra nano cellulose có kích thước hạt nhỏ và phân bố đồng đều, phù hợp cho ứng dụng hấp phụ ion kim loại nặng. Sự giảm kích thước hạt làm tăng diện tích bề mặt tiếp xúc, từ đó nâng cao khả năng hấp phụ ion Ni²⁺.

Hiệu suất hấp phụ cao đạt được (88,7%) chứng minh tiềm năng ứng dụng của nano cellulose vi khuẩn trong xử lý nước thải kim loại nặng. So với các nghiên cứu khác sử dụng vật liệu hấp phụ sinh học, nano cellulose có ưu điểm về độ tinh khiết, khả năng tái sinh và thân thiện môi trường.

Biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa thời gian hấp phụ và hiệu suất hấp phụ sẽ minh họa rõ sự tăng nhanh hiệu suất trong 60 phút đầu, sau đó tiến tới bão hòa. Bảng so sánh hiệu suất hấp phụ theo hình thái cellulose và tỷ lệ nano cellulose/dung dịch cũng làm nổi bật các yếu tố ảnh hưởng quan trọng.

Những kết quả này góp phần khẳng định vai trò của công nghệ nano cellulose trong lĩnh vực xử lý môi trường, mở ra hướng nghiên cứu phát triển vật liệu hấp phụ sinh học hiệu quả, kinh tế và bền vững.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu quy trình sản xuất nano cellulose:

   • Áp dụng phương pháp đồng hóa cơ học kết hợp thủy phân enzyme với thời gian 150 phút và nồng độ enzyme thích hợp để tạo ra nano cellulose có kích thước hạt nhỏ nhất, tăng diện tích bề mặt hấp phụ.
   • Chủ thể thực hiện: Các phòng thí nghiệm công nghệ vật liệu và doanh nghiệp sản xuất vật liệu sinh học.
   • Thời gian thực hiện: 6-12 tháng.

2. Phát triển hệ thống xử lý nước thải công nghiệp sử dụng nano cellulose:

   • Thiết kế và vận hành hệ thống hấp phụ ion Ni²⁺ bằng nano cellulose với tỷ lệ vật liệu/dung dịch tối ưu (khoảng 1 g/100 mL) để đạt hiệu suất hấp phụ trên 85%.
   • Chủ thể thực hiện: Các nhà máy xử lý nước thải, cơ quan quản lý môi trường.
   • Thời gian thực hiện: 12-18 tháng.

3. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng nano cellulose trong xử lý các ion kim loại nặng khác:

   • Khảo sát khả năng hấp phụ các ion như Cr, Cd, Pb để đa dạng hóa ứng dụng và nâng cao hiệu quả xử lý nước thải.
   • Chủ thể thực hiện: Các viện nghiên cứu, trường đại học.
   • Thời gian thực hiện: 12-24 tháng.

4. Xây dựng quy trình tái sinh và tái sử dụng nano cellulose:

   • Phát triển phương pháp tái sinh vật liệu hấp phụ để giảm chi phí và tăng tính bền vững trong xử lý môi trường.
   • Chủ thể thực hiện: Các phòng thí nghiệm công nghệ môi trường và doanh nghiệp.
   • Thời gian thực hiện: 6-12 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa học, Công nghệ Môi trường:

   • Lợi ích: Hiểu rõ quy trình tạo và ứng dụng nano cellulose trong xử lý nước thải kim loại nặng, áp dụng vào nghiên cứu và phát triển vật liệu mới.

2. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu sinh học và xử lý nước thải:

   • Lợi ích: Áp dụng công nghệ nano cellulose để nâng cao hiệu quả xử lý nước thải, giảm chi phí và thân thiện môi trường.

3. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách:

   • Lợi ích: Cơ sở khoa học để xây dựng chính sách khuyến khích sử dụng vật liệu sinh học trong xử lý ô nhiễm, góp phần bảo vệ môi trường.

4. Các tổ chức phi chính phủ và cộng đồng quan tâm đến bảo vệ môi trường:

   • Lợi ích: Nắm bắt công nghệ xanh, thúc đẩy các dự án xử lý ô nhiễm bền vững, nâng cao nhận thức cộng đồng.

Câu hỏi thường gặp

1. Nano cellulose là gì và tại sao nó được ưu tiên trong xử lý nước thải?
   Nano cellulose là dạng cellulose được thu nhỏ đến kích thước nano, có diện tích bề mặt lớn, độ bền cơ học cao và khả năng hấp phụ tốt. Nó thân thiện môi trường, phân hủy sinh học và có thể tái sinh, phù hợp cho xử lý nước thải kim loại nặng.

2. Phương pháp tạo nano cellulose hiệu quả nhất trong nghiên cứu này là gì?
   Phương pháp đồng hóa cơ học kết hợp thủy phân enzyme được xác định là tối ưu, giúp giảm kích thước hạt cellulose xuống mức nhỏ nhất, tăng diện tích bề mặt và hiệu quả hấp phụ ion Ni²⁺.

3. Hiệu suất hấp phụ ion Ni²⁺ của nano cellulose đạt được trong nghiên cứu là bao nhiêu?
   Hiệu suất hấp phụ tối đa đạt khoảng 88,7% trong điều kiện tối ưu với nồng độ ion Ni²⁺ 163,5 mg/L và thời gian hấp phụ 480 phút.

4. Các yếu tố nào ảnh hưởng đến hiệu quả hấp phụ ion Ni²⁺?
   Thời gian hấp phụ, nồng độ ion Ni²⁺ ban đầu, hình thái cellulose (huyền phù hay sấy khô) và tỷ lệ nano cellulose/dung dịch là các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả hấp phụ.

5. Nano cellulose có thể tái sử dụng trong xử lý nước thải không?
   Luận văn đề xuất nghiên cứu thêm về quy trình tái sinh nano cellulose để giảm chi phí và tăng tính bền vững, tuy nhiên hiện tại chưa có kết quả cụ thể về tái sử dụng.

Kết luận

• Đã phát triển thành công quy trình tạo nano cellulose từ vi sinh vật Acetobacter xylinum bằng phương pháp đồng hóa cơ học kết hợp thủy phân enzyme, đạt kích thước hạt nhỏ và phân bố đồng đều.
• Nano cellulose thu được có khả năng hấp phụ ion Ni²⁺ hiệu quả với hiệu suất lên đến 88,7% trong điều kiện tối ưu.
• Các yếu tố như thời gian hấp phụ, nồng độ ion, hình thái cellulose và tỷ lệ vật liệu/dung dịch ảnh hưởng rõ rệt đến hiệu quả xử lý.
• Nghiên cứu mở ra hướng ứng dụng vật liệu sinh học thân thiện môi trường trong xử lý nước thải kim loại nặng, góp phần bảo vệ sức khỏe cộng đồng và môi trường.
• Đề xuất tiếp tục nghiên cứu mở rộng ứng dụng, tối ưu quy trình sản xuất và phát triển công nghệ tái sinh nano cellulose để nâng cao tính kinh tế và bền vững.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các phòng thí nghiệm và doanh nghiệp áp dụng quy trình tạo nano cellulose và triển khai thí điểm hệ thống xử lý nước thải sử dụng vật liệu này. Đẩy mạnh nghiên cứu ứng dụng trong xử lý các kim loại nặng khác và phát triển công nghệ tái sinh vật liệu.

Hãy bắt đầu ứng dụng công nghệ nano cellulose để bảo vệ môi trường và phát triển bền vững ngay hôm nay!

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TONG QUANN. TONG QUAN VE CELLULOSE VÀ NANO CELLULOSE. Cellulose vi khuẩn (BC ). c1 121 1E E E111 ng ng ng reg ] 1.

Cau trúc của BC và nano celÏUÏOSe. Tính chất của BC và nano celluÏOSe. Phương ph p tạo nano cellulose từ BC. Ung dung cua Bacterial Nano Cellulose (BNC).

O NHIEM KIM LOẠI NẶNG. Khái quát về 6 nhiễm kim loại nặng. Tac dụng sinh hóa cua kim loại nang đối với on người v_ môi trường 16 1. Niken (Ni) và tác hại.----- cà tt T111 111212110111 01 211101110111 cty 18 1.

XU LY Ô NHIEM KIM LOẠI NANG. Phương ph p kết tủa hóa hoe. Phương ph p trao đối ion. Phương ph p lọc màng [32].

Phương ph p hấp phụ nec cccsceseescsesesesessscssesesessssssesseseseenees 22 CHUONG 2: THUC NGHIEM VA CAC PHUONG PHAP PHAN TICH 23 2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU:. HÓA CHAT, THIẾT BỊ VÀ DỤNG CU. Dụng cụ, thiẾt bị.

Hóa chất và nguyên liệu .---- ¿2-2-5252 SE2E£EEE£EEEEEErEeErkrerrerered 24 2. Chuan biv đ nh gi nguy n liỆU. Anh hưởng của quá trình nuôi cấy đến tính chất hệ phân tán nano 0195125 ee eeccecceccescsccscccccscesccecesccnscsscesceccescescescescescescesscsscescescscesessessenses 25 2. Nghiên cứu kha năng tao hệ phân tán nano cellulose từ sinh khối thương mại 26 2.

SOS nhv đổ nhi. Nghiên cứu khả năng ứng dụng nano cellulose trong xử lý ion Ni”T. CÁC PHƯƠNG PHAP PHAN TÍCH VA TÍNH SAI SỐ. Phương ph p hién vi điện tử quét (SEM).

Phương ph p quang phố h ng ngoại (FT-IR). Phương ph p quang phố tử ngoại khả kiến (UV-Vis).-- 33 CHƯƠNG 3: KET QUÁ VA BAN LUẬN.CHU N BỊ VÀ ĐÁNH GIA NGU N LIỆU. ANH HU NG QUÁ TR NHNU ICÁ DEN TINH CHAT HE PHAN TAN NANO CELLULOSE woeececcccccscscscssscsescscscscsssscsessscsssscsessscsssesesesssssseseseass 38 3. Phuong ph pd ng ho OhO.

Phuong ph pd ngho oho v hỗtrợ ủaacid. NGHI N CỨU KHAN NG TẠO HE PHAN TAN NANO CELLULOSE TỪ SINH KHOI THƯƠNG MAL .- -- 6 6s E988 EEeEeEEESE+EEeEseseeersesed Al 3. Phuong ph pd ng ho OhO ou. Phuong ph pd ngho oho v hétro Waa id.

Phuong ph pd ngho oho v hỗtrợ Ua enzyme. DANH GIA VA SO SÁNH.-cc cv tre 52 3. D mh gi tOng quất.---¿:- +52 SE+ESE E3 E233 EEEEEEEEEEEerkrkrreee 52 3. Ð nhgi hìnhth i ellulose thuđượ sau đ ng hóa bằng kính hiến vi điện tử quét SEÌM.

NGHI N CỨU KHAN NG UNG DUNG NANO CELLULOSE TRONG XU L ION NIM ceeccecccccecccscsscscscsscscscsscscscsscscscsscscsvsscscsssssscstsssecstsssecsssssseesevees 59 3. Dựng đường chuẩn ion Nim v. Anh hưởng của thời gian đến hiệu quả xử lý vce 60 3. Ảnh hưởng củan ng độ ion Ni7 trong dung dị h đầu đến hiệu quả xử lý 61 3.

Ảnh hưởng của hình th i ellulose. Ảnh hưởng của tỷ lệ NANOCELL/thé tích dung dịch ion Ní”T. 65 CHƯƠNG 4: KET LUẬN VÀ KIÊN NGHỊ, .- 5 5 so 5s css se 67 4. G1121 1S 119121 1E 1111212111112 ng HT ngu rke 67 4.-G- G2 SE 939121 1E 53119191 E121 9E 5111115113 1g ree 69 TÀI LIEU THAM KHÁOO.

5° < s2 S2 s9 s2 se sess se 70 3:18800002055. 74 Vil LOI MO DAU Ngày nay cùng với sự tiễn bộ của khoa học công nghệ, các ngu n nguyên liệu càng trở nên khan hiếm Dé tạo ra ngu n nguyên liệu mới, d id o, đ p ứng được nhu cau trnl điều khó khăn Như húng đã biết, cellulose từ thực vật là loại nguyên liệu rất pho biến, được ứng rất nhiều trong lĩnh vw đời sống Được biết đến như ngu n nguyên liệu rẻ tiền, dễ kiếm, có khả năng t i sinh và phân hủy sinh học tốt, trong quá khứ cellulose đã đượ dùng để tạo giấy, bao bì, sợi vis o.Tuy nhi n, khi thé giới quan tâm nhiều hơn đến vẫn đề môi trường, những ngu n nguyên liệu mới tạo ra cellulose được quan tâm nhiều hơn Ngo i thực vật, cellulose on được tạo nên từ vi sinh vật, trong đó Acetobacter xylinum là vi khuẩn có khả năng sản xuất cellulose rất tốt. Cùng với sự phát triển của ngành công nghệ vật liệu, công nghệ nano là một bước tiến vô cùng quan trọng giúp cải tiễn chất lượng của các loại vật liệu truyền thống. Nano cellulose có những tính năng tuyệt vời, với độ bền ơ học cao, tính trong suốt, khả năng tương thí h sinh học cao, khả năng phân hủy sinh họ v độ trong suốt, khả năng hap thụ nước lớn, nano cellulose được ứng dụng rất nhiều trên lĩnh vực y tế, m phẩm, vật liệu hấp phụ.

Tuy nhiên, trên thế giới hiện nay hướng nghiên cứu tạo nano cellulose chủ yếu là từ cellulose thực vật, trong khi có nhiều khảo sát cho thấy cellulose được tong hợp bởi vi khuẩn iting mang những đặc tính tương tự thậm chí tốt hơn so với cellulose từ thực vật. Vì vậy, mụ đí h dé tài luận văn n yÏ tạo san phẩm nano cellulose từ sinh khối của vi khuẩn Acetobacter xylinum và từ đó khảo sát kha năng hap phụ ion Ni” từ dung dịch. Vill DANH MỤC CÁC TU VIET TAT LDS: Laser diffraction spectrometry. BC: Bacterial cellulose.

BNC: Bacterial nano cellulose. DP: Degree of polymerization. SEM: Scanning Electron Microscopy. TEM: Transmission electron microscopy.xylinum: Acetobacter xylinum.

UV-Vis: Ultraviolet/Visible Spectroscopy. FY-IR: Fourier Transform Infra — Red. MFC: Microfibrillated cellulose. 1X DANH MỤC BANG Bảng 2 1: Điều kiện thực hiện đ Ng hóa celÏUÏOS€.1: Bang ký hiệu nguyên liệu celÏUÏOS€.2: Tính chất ơ bản của sinh khối cellulose nguyên liệu.3: Sos nh tính chất huyền phù ellulose sau khi đ ng hoá .4: Bảng ký hiệu hình thái cellulose .-- 2 << 55553225 essessd 63 DANH MỤC HINH Hình 12: Ð thị biêu diễn sô lượng các nhóm nghiên cứu về nano cellulose trên ¡10777 --:: 3 Hình 1.3: Hệ thống phân cấp trong hình thái cellulose.4: Cau trúc của cellulose vi khuẩn .------ ¿55-52 s+s+sss+x+xececxez 4 Hình 1.5: Cấu trúc không gian của cellulose I và II] .6: Tóm tat kí h thước và cách tạo các loại nano cellulose khác nhau.7: Cellulose vi khuẩn (a) va cellulose thực Vat (b)_.8: Hình ảnh máy Microfluidics Inc.ẶẶẶ S22 se seg 9 Hình 19:T_ động của thủy phân bằng acid lên celluose từ cofton.10: Cơ hề thủy phân cellulose nhờ 2 enzyme CBH va EG với R(reducing), NR(Non-Reducing), C: vùng tinh thé .ccccccccescscseesesesseseseseseseseseseseesesen II Hình 1.1: Quy trình công nghỆ XI mạ.

G9900 11 ng 17 Hình 3 1: Ngoại quan nguy n liệu sinh khối ellulose.2: Kết quả FT-IR của các nguyên liệu so với cellulose thực vật. 37 Hình 3 3: Ảnh hưởng điều kiện đ ng ho đến kí h thud trung bình hệ phân t n nano ellulosetừ điểu kiện nuôi ấykh nhau.-- 38 Hình 3 4: Ảnh hưởngt nhân aidv điều kiện nuôi ấy đến kí h thướ trung bình hệ phần t nnano ellulose từ điều kiện nuôi ấykh nhau. 39 Hình 3 5: Ảnh hưởng n ng độ ellulose đến ngoại quan mẫu hệ phân t n nano ellulose từ BT-TINH .--- 2 2202110111011 1 v1 1 n1 ng 11111 kg 4 Hình 3 6: Ảnh hưởng n ng độ ellulose đến kí h thướ trung bình hệ phân t n nano ellulose từ nguy n liệu BT-TINH.---- << Ăn re 42 Hình 3 7: Ảnh hưởng thời gian đ ngho đến kí hthướ trung bình hệ phân t n nano ellulose từ nguy n liệu BT-TINH.---- << Ăn re 43 Hình 3 8: Ảnh hưởng n ng độ a id đến ngoại quan mẫu hệ phân t n nano ellulose từ BT-TINH .-- -- - - <GG G1332 199 0n ng 45 Hình 3 9: Ảnh hưởng n ng độ a id đến kí h thud trung bình hệ phân t n nano ellulose từ nguy n liệu BT-TINH .--- (cv he gey 45 XI Hình 3 10: Ảnh hưởng wan ng độ enzyme Termamyl đến kí h thud trung bình hệ phân t nnano ellulose từ nguy n liệu BT-TINH .------ 47 Hình 3 11: Ảnh hưởng n ng độ enzyme Vis ozyme L đến kí hthướ: trung bình hệ phânt nnano ellulose từ nguy n liệu BT-TINH.---««<<<<+2 48 Hình 3 12: Ảnh hưởng n ng độ enzyme Celli Cte 2 đến kí hthướ trung bình hệ phân t nnano ellulose từ nguy n liệu BT-TINH .------ 49 Hình 3 13: Ảnh hưởng ủa thời giant động enzyme Celli Cte 2 đến kí h thướ trung bình hệ phân t nnano ellulose từ nguy n liệu BT-TINH.14: Két qua SEM của của các mẫu bột thu duo sau khi d nghóa ơ học: BK-TINH (A), BK-SUC (PB), BK-KHUAY (C), BT-TINH (D).15: Kết quả SEM của các mẫu bột thu đượ sau khi đ nghóa ơ học và hỗ trợ acid: BK-TINH (A), BK-SUC (B), BK-KHUAY (C).16: Kết quả SEM của của các mẫu huyền phù BT-TINH thu đượ sau khi đ nghóa oho A ,hỗtrợa id B v enzyme Celli Cte 2 C. 56 Hình 3 17: Đường chuẩn độ hấp thu theo n ng độ ion Ni” .---------c5- 60 Hình 3 18: Ð thị biểu diễn ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất hấp phụ ion Hình 3 20: Ð_ thị biểu diễn hiệu suất hấp phụ theo thời gian của các nguyên liệu ban đầu khác nhau.- ---- đe E2 E s32 E 158588558 53 S8 138158 SE E3 test tre.

63 XI CHUONG 1: TONG QUAN 1. TONG QUAN VE CELLULOSE VA NANO CELLULOSE 1. Cellulose vi khuẩn (BC) Sự tong hợp lớp mang cellulose ngoại bào của vi khuẩn A.xylinum được nhà bác học Brown báo cáo lần đầu ti nv o năm 1886 [1] Theo đó, khi nghĩ n wu vé vi khuẩn acetic, Brown và các cộng sự đã ph t hiện va quan sát thay một khối ran m theo ông lú đó khối ran này không nam trong kết quả nghiên cứu ông dự định trước. Khối răn này khó bị phân hủy và giống với mô động vật.

Hợp chất đó sau n y duo x định là cellulose và vi khuẩn tong hợp ra nó là Bacterium xylinum [1]. Tuy nhi n đến nửa sau thé ki XX, các nhà khoa học mới thực sự nghiên cứu rộng rãi về BC. Năm 1943-1954, Hestrin và các cộng sự nghiên cứu về khả năng tổng hợp BC của vi khuẩn Acetobacter xylinum, họ chứng minh rang A. xylinum có thé sử dụng đường va O¿ để tạo nên cellulose.

Năm 1957, Next v Colvin hứng minh rang cellulose được A.xylinum tổng hop trong môi trường 6 đường và ATP. Càng ngày, cùng với sự tiễn bộ của khoa họ kĩ thuật, câu trúc của cellulose vi khuẩn ng được hiểu rõ Đó | hudi polymer do các glucopyranose nối với nhau băng liên kết B-14-glucan. Năm 1989, nhóm IM Saxena trường Dai hoc Texas thu nhận được enzyme cellulose sythase tinh sạch của A. Enzyme này g m 2 chuỗi polypeptide có trọng lượng phan tửI 83v 93kD Trong do, tiểu phân 83 kD li n quan đến quá trình sinh tong hợp cellulose tỉnh khiết Năm 1990, nhóm dix định được gen tổng hợp cellulose ở A.

Nhóm đã giải thi h ơ hé tong hop cellulose của A. xylinum bằng việc giải trình tự đoạn gen tổng hợp cellulose. Ng y nay đã ó rất nhiều công trình nghiên cứu giúp hiểu rõ hơn về cau trúc, ơ hề tổng hợp và ứng dụng của BC. Nano cellulose Nano cellulose chính là cellulose đã được thu nhỏ và tái cấu trúc ở cấp độ nano.