CHƯƠNG 1. Tổng quan về xanh methylen (MB) 1. Cấu to, tính chất và ứng dụng ca xanh methylen Xanh methylen (MB) hay còn được gọi là methylen Blue, Tetramethylthionine Chlorhydrate, Methylthioninium Chloride, CI 52015, có công thức hóa học là C16H18ClN3S (319,85 g. Là một loại thuốc kiêm thuốc nhuộm thiazine phổ biến, có màu xanh lá cây đậm và tan tốt trong nước.
Ngoài ra nó còn tan trong các dung môi ethanol, chloroform, axit axetic và glyxerol; ít tan trong pyridine; không tan trong xylene và axit oleic. Khi tan trong nước (43,6 mg.L-1 ở 25oC), MB tạo thành dung dịch màu xanh lam có bước sóng hấp thụ cực đại tại 664 nm. Cấu tạo và phổ hấp thụ phân tử UV-Vis của Xanh Methylen MB được sử dụng rộng rãi trong các ngành dệt may, công nghiệp mực in, hóa học, sinh học và đặc biệt là ứng dụng trong y học. Trong hóa phân tích, xanh methylen được sử dụng như một chất chỉ thị với thế oxy hóa khử tiêu chuẩn 0,01V.
Dung dịch của chất này có màu xanh lam khi ở trong môi trường oxy hóa, nhưng sẽ chuyển thành không màu nếu tiếp xúc với chất khử. Trong lĩnh vực sinh học, MB thường được dùng để kiểm tra RNA hoặc DNA dưới kính hiển vi hoặc trong gel. Nó 7 cũng có thể được sử dụng như một chỉ số để xác định xem các tế bào nhân thực như nấm men còn sống hay đã chết. Xanh methylen bị khử trong các tế bào sống sót khiến chúng không bị nhiễm màu, còn tế bào chết thì không thể khử màu xanh methylen bị oxy hóa và chuyển thành màu xanh lam.
Xanh methylen có thể cản trở quá trình hô hấp của nấm men vì nó hấp thụ các ion hydro được tạo ra trong quá trình này. Ngoài ra MB còn được sử dụng trong nuôi trồng thủy sản trong việc điều trị các bệnh về vi khuẩn, nấm và ký sinh trùng. Nó thường được sử dụng để bảo vệ trứng cá mới đẻ khỏi bị nhiễm nấm hoặc vi khuẩn. Đặc biệt là rất hiệu quả trong việc điều trị ngộ độc amoniac, nitrit và xyanua cũng như điều trị tại chỗ các bệnh về nấm Saprolegnia trên các giai đoạn của cá [3].
Xanh methylen lần đầu tiên được điều chế vào năm 1876, bởi Heinrich Caro. Nó nằm trong “Danh sách Thuốc thiết yếu” của Tổ chức Y tế Thế giới. Được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực y học, dùng trong điều trị bệnh methemoglobin huyết. Ngoài ra nó cũng có tác dụng sát khuẩn nhẹ và nhuộm màu các mô.
Thuốc có liên kết không hồi phục với acid nuleic của virus và phá vỡ phân tử virut khi tiếp xúc với ánh sáng nên MB còn được dùng tại chỗ để điều trị nhiễm virut ngoài da như herpes simplex, điều trị chốc lở, viêm da mô và làm thuốc nhuộm các mô trong một số thao tác chuẩn đoán (nhuộm vi khuẩn…). Trước đây nó đã được sử dụng để điều trị ngộ độc xyanua và nhiễm trùng đường tiết niệu, nhưng việc sử dụng này không còn được khuyến khích vì nó thường được tiêm vào tĩnh mạch. Các tác dụng phụ thường gặp bao gồm nhức đầu, nôn mửa, lú lẫn, khó thở và huyết áp cao. Nếu được truyền vào tĩnh mạch với liều vượt quá 5 mg/kg, có thể dẫn đến ngộ độc serotonin nghiêm trọng, phá vỡ tế bào hồng cầu và phản ứng dị ứng.
Sử dụng thường xuyên khiến nước tiểu, mồ hôi và phân có màu xanh lam sang màu xanh lục [3]. Cc phương php xử lý xanh methylen Ngành dệt là ngành công nghiệp có dây chuyền công nghệ phức tạp, áp dụng nhiều loại hình công nghệ, các nguồn nguyên liệu, hoá chất khác nhau và cũng sản 8 xuất ra nhiều mặt hàng có mẫu mã, màu sắc, chủng loại khác nhau. Bên cạnh những đóng góp to lớn vào sự phát triển kinh tế của đất nước và những đóng góp trong vấn đế đảm bảo an sinh xã hội thì hoạt động sản xuất của ngành dệt may cũng mang lại không ít nhũng tác động tiêu cực đến môi trường sinh thái. Lượng nước thải mà các nhà máy dệt nhuộm tiêu thụ cho mỗi kg vải là rất lớn.
Nước thải công nghiệp dệt nhuộm gồm có nhiều loại hóa chất như axit, kiềm, thuốc nhuộm, chất cầm màu, hydro peoxit, tinh bột, chất hoạt động bề mặt, chất phân tán, kim loại nặng,… Lượng hóa chất sử dụng tùy thuộc loại vải, màu và chủ yếu đi vào nước thải của các công đoạn sản xuất. Thành phần nước thải dệt nhuộm này có độ kiềm cao, độ màu lớn, nhiều hóa chất độc hại đối với các loài thủy sinh, có khả năng gây ung thư, bền trong môi trường và khó phân hủy sinh học. Khi xâm nhập vào cơ thể, các hợp chất này sẽ gây ra tổn thương cho hệ thần kinh, hệ thống tim mạch, gây ung thư và đột biến gen,…. Trong số các thuốc nhuộm, xanh methylen là thuốc nhuộm cation thuộc nhóm thiazine phổ biến, có màu xanh lá cây đậm và tan tốt trong nước được sử dụng rộng rãi trong dệt may, công nghiệp mực in, hóa học, sinh học và đặc biệt là ứng dụng trong y học.
Có thể ảnh hưởng đến sức khỏe con người như nhức đầu, nôn mửa, lú lẫn, khó thở và huyết áp cao, nghiêm trọng hơn còn có thể gây ra hội chứng serotonin, phá vỡ tế bào hồng cầu và phản ứng dị ứng nếu sử dụng quá liều lượng. Hiện nay, có nhiều phương pháp để loại bỏ MB trong nước như plasma, hấp phụ, màng, xúc tác hoạt hoá, xúc tác quang, Fenton điện hoá. Garcia và cộng sự (2017) đã nghiên cứu sự phân hủy của MB trong dung dịch nước bằng cách sử dụng tia plasma phi nhiệt (2,45 GHz) ở áp suất khí quyển. Kết quả cho thấy sự phân hủy MB hiệu quả hơn ở nồng độ thuốc nhuộm thấp.
Đối với thể tích mẫu thấp hơn bằng 50 mL thì giá trị năng lượng chuyển hóa đạt 50% với độ chuyển hóa trong khoảng 0,03 đến 0,296 g/kWh. Ngoài ra, sự gia tăng tốc độ dòng argon tạo ra tốc độ suy thoái cao hơn và khả năng sử dụng song song hai đầu 9 phun plasma có hiệu quả hơn một chút so với một đầu phun ngay cả khi có tổng lưu lượng và tổng công suất đầu vào bằng nhau. Lò phản ứng plasma có thể tạo ra các loại hydrogen peroxide trong nước, nồng độ cuả chúng tăng lên theo tốc độ dòng argon plasma. Trong trường hợp tối ưu, năng suất tạo thành H2O2 là 2,7 mg/kWh.
Việc sinh ra H2O2 đóng vai trò rất quan trọng trong việc hình thành các loài hoạt động cuối cùng phân hủy chất ô nhiễm hữu cơ [4]. Sơ đồ mô tả quá trình xử lý MB bằng phương pháp plasma Yuelong Xu và các cộng sự (2019) đã đã nghiên cứu vật liệu nano MnO hình que bằng phương pháp thủy nhiệt, sử dụng làm chất hấp phụ để xử lý MB trong nước. Kết quả cho thấy khi sử dụng dung dịch thuốc nhuộm có nồng độ 20 mg/L tiếp xúc với 7 mg MnO, giữ các thông số khác không đổi (T = 298 K, 0,5 mL H2O2, pH = 8) thì hiệu suất phân hủy MB cao nhất đạt 99,8% sau 24 giờ xử lý, tương ứng với khả năng hấp phụ 154 mg/g. Hỗn hợp nano MnO thể hiện khả năng tái sử dụng tuyệt vời với hiệu suất xử lý lên đến 87% sau 10 chu kỳ sử dụng.
Kết quả này cho thấy MnO là vật liệu đầy hứa hẹn là vật liệu tiểm năng và hiệu quả để loại bỏ chất ô nhiễm trên diện rộng [5]. Cơ chế phân hủy MB trong hỗn hợp nano MnO. Năm 2019, Xihao Pan và các cộng sự đã phát triển thành công một loại xúc tác từ Fe3O4@PDA-MnO2 thông qua việc phủ lớp PDA và lắng MnO2 trên bề mặt Fe3O4. Chất xúc tác Fe3O4@PDA-MnO2 có thể kết hợp với hydro peroxit để tạo thành thuốc thử giống Fenton để loại bỏ MB.
Kết quả cho thấy hiệu suất phân hủy MB đạt 97,36% sau 240 phút xử lý tại điều kiện tối ưu: 5mg Fe3O4@PDA-MnO2, 40mg.L-1 MB, pH = 3 và T= 298K. Bên cạnh đó, chất xúc tác có thể được sử dụng trong phạm vi pH rộng từ 2 đến 12 trong hệ thống Fenton. Hơn nữa Fe3O4@PDA-MnO2 có thể duy trì khả năng tái sử dụng tuyệt vời sau năm chu kỷ sử dụng. Ngoài ra, Fe3O4@PDA-MnO2 vẫn có thể giữ hơn 75% hiệu suất loại bỏ MB trong ứng dụng xử lý nước thải công nghiệp, hứa hẹn sẽ là một loại xúc tác hiệu quả cho việc xử lý nước thải [13].
Đề xuất cơ chế loại bỏ MB bằng Fe3O4@PDA-MnO2 11 Yingrui Liu và cộng sự (2019) đã nghiên cứu biến tính điện cực GF bằng PEDOT : NAPSS và GO/PEDOT : NAPSS làm cực âm trong hệ thống EF, sau đó ghép bùn dạng hạt hiếu khí (AGS) xử lý sinh học để xử lý nước thải nhuộm. Sự tương tác giữa PEDOT và GO đã làm tăng tốc độ truyền điện tử, cải thiện độ dẫn điện và độ ổn định của điện cực GF. Các điều kiện xử lý tối ưu như sau: 0,2L MB 100mg.L-1 Fe-C, Na2SO4 0.75V, tốc độ sục khí 0.min-1, điện cực làm việc GO/PEDOT : NAPSS@GF, điện cực đếm Ti/IrO2-RuO2, điện cực so sánh SCE. Sau 2 giờ phản ứng, kết quả xử lý COD và TOC đạt 75,7% và 86,5% tương ứng, cao hơn so với hệ thống đơn lẻ.
Do đó GF sửa đổi này có thể được sử dụng như một cực âm hữu ích tiềm năng trong công nghệ EF để xử lý nước thải thực tế và có giá trị ứng dụng kỹ thuật đầy hứa hẹn trong lĩnh vực xử lý nước thải MB [11]. Sơ đồ hệ thống xử lý MB bằng EF và AGS Các phương pháp xử lý MB trước đây hoặc tốn kém hoặc có nhu cầu năng lượng cao. Năm 2019, Yuzhe Zhang và các cộng sự đã nghiên cứu kết hợp hai phương pháp xử lý ô nhiễm thông qua nhiệt phân cacbon. Nhiệt phân lốp xe phế thải 12 tái chế bằng vi sóng ở nhiệt độ cao tạo ra cacbon nhiệt phân, sau đó sử dụng để hấp phụ MB.
Kết quả cho thấy, tại pH = 7 và 298K khả năng hấp phụ tối đa của cacbon nhiệt phân đối với MB là 71,6 mg/g, kết quả này ủng hộ cho việc sử dụng cacbon nhiệt phân làm chất hấp phụ với hiệu suất hấp phụ tương đương than hoạt tính thương mại [6]. Tonni Agustiono Kurniawan và cộng sự (2020) đã tiến hành loại bỏ MB trong nước bằng phương pháp xúc tác quang sử dụng vật liệu compozit GO/TiO2. Kết quả cho thấy tỷ lệ trọng lượng GO/TiO2 là 1:2 cho diện tích bề mặt lớn nhất (104,51 m2/g). Tại điều kiện phản ứng tối ưu với 0,2 g.L -1 GO/TiO2, pH = 10 và dung dịch thuốc nhuộm có nồng độ 5 mg.L-1 thì việc loại bỏ MB gần như hoàn toàn sau 4 giờ xử lý.