Đặt vấn đề Sự ra đời của kháng sinh là một trong những công trình vĩ đại của con người trong vấn đề điều trị bệnh. Tuy nhiên, dư lượng tồn dư trong nước của nó cũng là một trong những vấn đề cấp thiết hiện nay đang ở mức báo động, gây ảnh hưởng không nhỏ đến hệ sinh thái và sức khỏe của con người. Các loại chất thải này rất khó để xử lý vì độ phức tạp trong cấu trúc. Chúng thường bền trong môi trường, khó phân hủy, hoặc sản phẩm phân hủy là những chất thải độc hại.
Có nhiều phương pháp nghiên cứu để xử lý kháng sinh của môi trương nước cả trong nước và quốc tế, tuy nhiên vẫn còn nhiều mặt hạn chế cả về khả năng xử lý, giá thành và hiệu quả. Việc xử lý còn nhiều hạn chế và khả năng vật liệu có thể tái gây ô nhiễm môi trường. Để phục vụ cho hoạt động chăm sóc sức khỏe của con người và động vật, việc sản xuất các loại thuốc kháng sinh được đẩy mạnh và tăng một cách nhanh chóng. Song song với đó là việc sau khi sử dụng, phần lớn các loại dược phẩm đó được thải ra môi trường, đặc biệt là môi trường nước.
Chúng thường bền, khó phân hủy nên việc xử lý gặp rất nhiều khó khăn, gây nên ảnh hưởng xấu đến hệ sinh thái. Một số loại kháng sinh không thể phân hủy sinh học dẫn đến việc ô nhiễm nguồn nước trầm trọng, kéo theo đó là hệ lụy đến sức khỏe con người. Để có thêm phương án lựa chọn kinh tế cho quy trình xử lý hiệu quả nước thải đặc biệt là việc loại bỏ kháng sinh, đề tài này sẽ đi vào nghiên cứu khả năng áp dụng phương pháp hấp phụ bằng vật liệu bã mía biến tính với PEI, một vật liệu phế thải của ngành công nghiệp mía đường để hấp phụ kháng sinh trong nước. Từ thực tế đó việc nghiên cứu sử dụng vật liệu phế thải để xử lý ô nhiễm môi trường là một hướng đi đúng đắn nhằm nâng cao giá trị cây mía, giảm ô nhiễm cho ngành công nghiệp mía đường và tạo ra loại vật liệu xử lý kháng sinh trong nước.2 Mục tiêu Đã có nhiều phương pháp được sử dụng để loại bỏ kháng sinh, trong đó phương pháp hấp phụ có nhiều ưu điểm riêng như: nguyên liệu rẻ tiền, đơn giản, hiệu quả, thân 2 thiện với môi trường và con người.
Nghiên cứu hiện nay luôn hướng đến những vật liệu rẻ, sẵn có nhưng mang lại hiệu quả nhằm giảm bớt áp lực về chi phí cho các hệ thống xử lý nước. Theo đó, bã mía là một trong những vật liệu được đánh giá là có tiềm năng để chế tạo các vật liệu hấp phụ phục vụ trong việc xử lý ô nhiễm môi trường nước. Việc nghiên cứu biến tính bã mía với PEI nhằm mục đích cải thiện độ xốp, khả năng hấp phụ, đạt được động học hấp phụ nhanh hơn cũng như có độ ổn định cao hơn trong chu kỳ tái sử dụng, kèm theo đó là thu hồi vật liệu dễ dàng hơn trong thông qua quá trình từ tính bằng Fe3O4. Xuất phát từ những nguyên nhân trên, chúng tôi chọn đề tài “Nghiên cứu biến tính bã mía với PEI ứng dụng trong loại bỏ kháng sinh trong nước”.
Phương pháp nghiên cứu 2. Tổng hợp bã mía biến tính với polyethylenimine 2. Xử lý bã mía Thân mía sau ép lấy nước dịch thu được phụ phẩm là bã mía. Sau đó, bã mía được rửa sạch bằng nước cất nhằm loại đường dư và tạp chất lẫn trong bã mía.
Thực hiện quá trình ba lần, bã mía sạch được đem sấy khô ở 60 – 70oC và đem đi nghiền bằng máy nghiền đĩa ta thu được bã mía thô với kích thước 0. Tổng hợp bã mía từ tính Từ bã mía đã xử lý chuẩn bị ở trên ta tiến hành tổng hợp bã mía từ tính với tỷ lệ bã mía /nano Fe3O4. Hòa tan hoàn toàn hai muối FeCl3.7H2O với khối lượng lần lượt là 1.60 g trong 150 mL nước cất. Cho hai dung dịch này trộn lẫn vào nhau và khuấy trong vòng 30 phút ta thu được dung dịch màu vàng cam.5g bã mía vào khuấy ở 80oC trong vòng 3 giờ.
Để hỗn hợp về nhiệt độ phòng, cho từ từ dung dịch NH4OH vào (với tốc độ 1 giọt/ giây) đến khi pH đạt 11 – 12. Quan sát ta thấy xuất hiện kết tủa là hạt đã được hình thành. Tiến hành trung hòa hỗn hợp bằng nước cất đến khi pH về trung tính. Lọc, sấy ở 60-70oC đến khi khối lượng không đổi, ta thu được bã mía từ tính dạng bột.Tổng hợp bã mía biến tính với polyethylenimine 3 Bã mía biến tính được tạo thành bằng cách cho 10g bã mía từ tính vào 250 mL dung dịch polyethylenimine với nồng độ 0.
Hỗn hợp bã mía với polyethylenimine được đun trong nồi cách thủy ở 65oC trong 6 giờ, tiếp theo là thêm dung dịch glutaraldehyde (1% w/v) vào hỗn hợp cho quá trình liên kết chéo. Cuối cùng, chất hấp phụ được lọc, rửa bằng nước khử ion và sấy khô ở 60 – 70oC đến khối lượng không đổi ta thu được bã mía biến tính. Phương pháp nghiên cứu cấu trúc vật liệu 2. Xác định hình thái bề mặt vật liệu bằng phương pháp kính hiển vi điện từ quét (SEM) Hình thái bề mặt và kích thước lỗ trống được xác định bằng phương pháp kính hiển vi điện tử quét bề mặt (SEM) và được thực hiện tại Trường Đại Học Công Nghiệp Thực Phẩm TPHCM.
Xác định liên kết trong cấu trúc vật liệu bằng phổ hồng ngoại FT – IR Các liên kết trong cấu trúc của vật liệu được xác định bằng phương pháp hồng ngoại FT – IR được thực hiện tại khoa Công Nghệ Hóa Học, trường Đại Học Công Nghiệp TPHCM với tần số dao động từ 4000 – 400 cm-1 2. Xác định cấu trúc vật liệu bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) được dùng để phân tích cấu trúc của vật liệu được thực hiện tại khoa Công Nghệ Hóa Học, trường Đại Học Công Nghiệp TPHCM. Phân tích nhiệt trọng lượng (Thermogravimetric analysis) Phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng nhằm xác định khối lượng bị mất trong quá trình chuyển pha, hay khối lượng bị mất theo thời gian và theo nhiệt độ. Phương pháp TGA được thực hiện tại trường Đại học Sư phạm TPHCM.
Đo diện tích bề mặt riêng (Brunauer-Emmet-Teller) Diện tích bề mặt riêng và kích thước lỗ xốp của vật liệu được đo bằng phương pháp BET tại Viện Khoa học Vật liệu Ứng dụng - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ kháng sinh của biến tính bã mía với PEI 2. Xác định điểm đẳng điện của vật liệu (pHPZC) Chuẩn bị dãy dung dịch pH thay đổi từ 2 - 10 chứa 50 mL NaCl 0.0 M, (pH được điều chỉnh bằng dung dịch NaOH hoặc HCl nồng độ 0.1M) (pHđ) trong bình tam giác có dung tích 100 mL. Thêm vào mỗi bình 0.1 g vật liệu đậy nút kín, lắc đều.
Sau 48 giờ ở nhiệt độ phòng, đo lại pH của các dung dịch (pHc), vẽ đồ thị giữa pH và pH (pH = pHđ - pHc), điểm cắt trục hoành chính là giá trị của điểm đẳng điện (pHPZC). Khảo sát ảnh hưởng của thời gian và nồng độ kháng sinh đến khả năng hấp phụ của vật liệu Để khảo sát ảnh hưởng của thời gian hấp phụ đến khả năng hấp phụ của vật liệu, chúng tôi tiến hành với các khoảng thời gian khác nhau từ 0.5 phút đến 90 phút, với 0.2 g vật liệu hấp phụ, nồng độ ban đầu của kháng sinh được cố định ở 50 mg/L, môi trường pH = 3.5 và tốc độ lắc là 200 vòng/phút. Quá trình hấp phụ được thực hiện ở nhiệt độ phòng. Pha rắn của dung dịch sau hấp phụ được tách bằng nam châm, nồng độ còn lại được phân tích bằng phương pháp sắc ký lỏng nâng cao HPLC với điều kiện tối ưu đã được khảo sát.
Để khảo sát ảnh hưởng đồng thời của thời gian hấp phụ và nồng độ ban đầu của kháng sinh, một loạt thí nghiệm đã được tiến hành bằng cách: Cho 0.2 g vật liệu hấp phụ vào 50 mL dung dịch kháng sinh với các nồng độ ban đầu từ 10 mg/L đến 50 mg/L trong khoảng thời gian hấp phụ được khảo sát từ 0.5 phút đến 90 phút. Tốc độ lắc là 200 vòng/phút. Quá trình hấp phụ được thực hiện ở nhiệt độ phòng. Pha rắn của dung dịch sau hấp phụ được tách bằng nam châm, nồng độ còn lại sau khoảng thời gian hấp phụ được phân tích bằng phương pháp sắc ký lỏng nâng cao HPLC với điều kiện tối ưu đã được khảo sát.
Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng hấp phụ của vật liệu Cho 0.2 g vật liệu hấp phụ vào 50 mL dung dịch kháng sinh với nồng độ ban đầu là 50 mg/L. Quá trình hấp phụ được tiến hành ở các nhiệt độ 20oC, 30oC và 40oC, 50oC, 60oC trong khoảng thời gian từ 0.5 phút đến 90 phút với tốc độ lắc là 200 5 vòng/phút. Pha rắn của dung dịch sau hấp phụ được tách bằng nam châm, nồng độ còn lại của dung dịch kháng sinh được phân tích bằng phương pháp sắc ký lỏng nâng cao HPLC với điều kiện tối ưu đã được khảo sát. Khảo sát ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ của vật liệu Cho 0.2 g vật liệu hấp phụ vào 50 mL dung dịch dung dịch với nồng độ ban đầu là 50 mg/L.
Quá trình hấp phụ được tiến hành ở các khoảng pH= 3, 5, 7, 9 trong khoảng thời gian từ 0.5 phút đến 90 phút với tốc độ lắc là 200 vòng/phút. Pha rắn của dung dịch sau hấp phụ được tách bằng nam châm, nồng độ còn lại của dung dịch kháng sinh được phân tích bằng phương pháp sắc ký lỏng nâng cao HPLC với điều kiện tối ưu đã được khảo sát.4 Tổng kết về kết quả nghiên cứu 2.1 Nội dung 1: Tổng hợp bã mía biến tính với PEI Xử lý bã mía rồi đem tổng hợp bã mía từ tính, từ bã mía từ tính tổng hợp thành bã mía biến tính với PEI. Kết quả: Vật liệu hấp phụ là bã mía biến tính với PEI.2 Nội dung 2: Phương pháp nghiên cứu cấu trúc vật liệu Xác định hình thái bề mặt vật liệu bằng phương pháp kính hiển vi điện từ quét (SEM). Xác định liên kết trong cấu trúc vật liệu bằng phổ hồng ngoại FT – IR.
Xác định cấu trúc vật liệu bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD). Phân tích nhiệt trọng lượng (Thermogravimetric analysis). Đo diện tích bề mặt riêng (Brunauer-Emmet- Teller). Kết quả: Các kết quả đo từ đó đánh giá được cấu trúc vật liệu tổng hợp.