Đánh giá khả năng loại bỏ kháng sinh Sulfamethoxazole trong nước bằng Graphene Oxide dạng khử

w TRUỜNG ĐẠI HỌC NGUYỄN TẤT THÀNH KHOA KỸ THUẬT THỤC PHẨM VÀ MƠI TRƯỜNG NGUYEN TAT THANH KHỐ LUẬN TÓT NGHIỆP ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG LOẠI BỎ KHÁNG SINH SULFAMETHOXAZOLE TRONG NƯỚC BẰNG GRAPHENE OXIDE DẠNG KHỬ SVTH: Trang Thị Kiều Như Tp.HCM, tháng 10 năm 2020 * TÓM TẮT Chất kháng sinh sulfamethoxazole (SMX) loại kháng sinh phổ biến xếp hạng loại thuốc sulfonamid tiêu thụ nhiều loại kháng sinh kê đom rộng rãi Tại Việt Nam ô nhiễm chất kháng sinh nước vấn đề đáng quan tâm Tuy nhiên, chuyển hóa kháng sinh sinh vật, tỷ lệ đáng ke (khoảng 60% - 90%) kháng sinh tiết vào hệ sinh thái dạng hợp chất nguyên chất chất chuyển hóa thơng qua nhiều nguồn khác nhau, bao gồm thuốc kê đơn hết hạn tiết, lưu trừ chất thải nông nghiệp xữ lý trình sản xuất Vì vậy, đe tài: “Đánh giá khả loại bỏ kháng sinh SMX nước rGO” thực từ tháng 6/2020 đen 9/2020 Phòng Quan trẳc Môi trường, Trường đại học Nguyền Tất Thành với mục tiêu đánh giá khả loại bò kháng sinh nước Đe tài bao gồm nội dung: Đánh giá khả loại bỏ kháng sinh nước bang rGO; Tong hợp rGO; Đánh giá cấu trúc vật liệu; Lập đường nhiệt hấp phụ theo Langmuir, Freundlich Những kết đạt sau (ba) tháng nghiên cứu: Thời gian thích hợp cho việc hấp phụ SMX lên rGO Dung lượng hấp phụ có xu hướng giảm tăng nồng độ SMX ban đầu, từ 87% xuống 53% nong độ SMX tăng từ ppm đen 40 ppm Dung lượng hấp phụ SMX tăng tăng hàm lượng rGO từ 0,2 g/L den 1,2 g/L Nong độ SMX sau hấp phụ 2,63 ± 0,06 mg/L pH < thích họp cho q trình xữ lý SMX bang rGO Quá trình hấp phụ SMX rGO phù hợp với mơ hình hấp phụ Langmuir, Freundlich MỤC LỤC DANH MỤC VIẾT TẮT iv DANH MỤC HÌNH V DANH MỤC BẢNG vi MỞ ĐẦU 1 Đặt vấn đề Mục tiêu nghiên cứu Nội dung nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu CHƯƠNG 1: TÓNG QUAN VỀ NGHIÊN cứu 1.1 TÌNH HÌNH Ơ NHIỄM KHÁNG SINH 1.1.1 Trên the giới 1.1.2 Tại Việt Nam 1.2 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CHẤT KHÁNG SINH 1.2.1 Khải niệm 1.2.2 Tác dụng thuốc khảng sinh 1.2.3 Phản loại khảng sinh 1.2.4 Giới thiệu kháng sinh Sulfamethoxazole 1.3 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ VẬT LIỆU rGO 1.3.1 Đặc diem cấu trúc 1.3.2 Phương pháp tong hợp 10 1.3.3 ửng dụng rGO 13 1.4 CO SỞ LÝ THUYẾT CỦA QUÁ TRÌNH HÁP PHỤ 13 1.4.1 Khải niệm hấp phụ 13 1.4.2 Phân loại 14 1.4.3 Tải sinh vật liệu hấp phụ 15 CHƯƠNG 2: NỘI DƯNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN cứu 17 2.1 DỤNG CỤ - THIẾT BỊ - HÓA CHẤT - NGƯYÊN LIỆƯ 17 2.1.1 Dụng cụ 17 2.1.2 Thiết bị 17 2.1.3 Hóa chất 17 2.2 PHƯƠNG PHÁP TÓNG HỢP VẬT LIỆƯ RGO 19 2.2.1 Tống hợp Graphit oxit (GrO) Graphen oxit (GO) 19 2.2.2 Tổng hợp Graphen oxỉt dạng khử (rGO) 19 2.3 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH 20 2.3.1 Kỉnh hiên vi điện tử quét (SEM) 20 2.3.2 Phổ tản sắc lượng tia X (EDS) 21 2.3.3 Phố tứ ngoại - khả kiến (ƯV - VIS) 21 2.3.4 Phương pháp phô hồng ngoại biển đối Fourier (FTIR) 22 2.3.5 Phương pháp xác định diện tích bề mặt riêng lo xop (BET) 23 2.4 CÁC THÍ NGHIỆM TIẾN HÀNH .24 2.4.1 Anh hưởng pH ban đầu 25 2.4.2 Anh hưởng nồng độ SMX ban đầu 25 2.4.3 Anh hưởng hàm lượng rGO 25 2.4.4 Anh hưởng thời gian hấp phụ 25 2.5 QƯY TRÌNH THÍ NGHIỆM .25 2.5.1 Chuẩn bị dung dịch Sulfamethoxazole 25 ii 2.5.2 Thỉ nghiệm hấp phụ dạng mẽ 26 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 28 3.1 ĐẶC TRUNG CỦA RGO 28 3.1.1 Kỉnh hiên vi điện tử quét (SEM) 28 3.1.2 Phổ tán sắc lượng tia X (EDS) 29 3.1.3 Phương pháp xác định diện tích bề mặt riêng lo xop (BET) 30 3.1.4 Phương pháp phô hồng ngoại biên đoi Fourier (FTIR) .30 3.2 ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC ĐIỀU KIỆN HÁP PHỤ LÊN KHẢ NĂNG HẤP PHỤ SMX CỦA REDUCED GRAPHENE OXIDE (RGO) 30 3.2.1 Anh hưởng giả trị pH ban đầu 30 3.2.2 Anh hưởng nồng độ SMX ban đầu 31 3.2.3 Anh hưởng hàm lượng rGO 32 3.2.4 Anh hưởng thời gian hấp phụ 33 3.3 XÂY DỤNG ĐƯỜNG ĐẦNG NHIỆT HẤP PHỤ 34 3.3.1 Mơ hình đường đăng nhiệt Langmuir 34 3.3.2 Mơ hình đường đăng nhiệt Freundlich 35 3.3.3 Đảnh giả kết 36 KỂT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 37 Kết luận .37 Kiến nghị 37 TÀI LIỆU THAM KHẢO 39 PHỤ LỤC 43 iii DANH MỤC VIẾT TẢT BET Phương pháp xác định diện tích bề mặt riêng lỗ xốp EDS Phổ tử ngoại - khả kiến FTIR Phương pháp phổ hồng ngoại biến đổi Fourier GO Graphene oxide RGO Reduced graphene oxide SMX Sulfamethoxazole SEM Kính hiển vi điện tử quét uv - Vis Pho tử ngoại - khả kiến VLHP Vật liệu hấp phụ IV DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: cấu trúc hóa học graphit oxit (GO)[ 12] 10 Hình 1.2: Các phương pháp tổng họp GO 11 Hình 1.3: Các vấn đề liên quan đen chất hấp phụ chi tiêu lợi ích tái sinh 16 Hình 2.1: Sơ đồ nghiên cứu 18 Hình 2.2: Sơ đồ nguyên tắc sinh tín hiệu SEM [22] 21 Hình 2.3: Phổ hấp thu UV-Vis 24 Hình 2.4: cấu trúc kháng sinh Sulfamethoxazole (C10H11N3O3S) (SMX)24 Hình 3.1 :Mầu vật liệu rGO sau tổng họp 28 Hình 3.2: Ảnh SEM vật liệu rGO trước hấp phụ 28 Hình 3.3: Phố nguyên tố rGO trước hấp phụ (a) sau hấp phụ (b) 29 Hình 3.4: Phổ hồng ngoại FTIR cùa rGO 30 Hình 3.5 Ảnh hưởng cùa hàm lượng pH lên trình hấp phụ SMX 31 Hình 3.6: Ảnh hưởng nồng độ ban đầu lên trình hấp phụ SMX .32 Hình 3.7 Ành hưởng hàm lượng rGO lên trình hấp phụ SMX 33 Hình 3.8: Biểu đồ đường chuẩn chất kháng sinh SMX 34 Hình 3.9: Đường đắng nhiệt hấp phụ rGO theo mơ hình Langmuir 36 Hình 3.10: Đường nhiệt hấp phụ cùa rGO theo mô hình Freundlich 36 V DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Phân loại kháng sinh theo cấu trúc hóa học [7] Bảng 1.2: Các phương pháp chế tạo GO 11 Bảng 1.3: So sánh hấp phụ vật lý hấp phụ hóa học 14 vi MỞ ĐẦU Đặt vấn đề Xã hội ngày phát triển lượng chất thải sinh hoạt, cơng nghiệp tăng lên theo cấp số nhân Lượng thải nhiều hệ thống xử lý tập trung khơng đủ để giải quyết, kèm theo thói quen xả thải không tập chung làm ô nhiễm môi trường nước vơ nghiêm trọng Bên cạnh đó, năm gần đây, kháng sinh sử dụng rộng rãi trị liệu cho người, ngành chăn nuôi, nuôi trồng thủy sản đại Ngành chăn nuôi chuyển dần theo phương thức chăn nuôi tập trung Xu hướng ô nhiễm môi trường, làm cho diễn biến dịch bệnh đàn vật ni ngày phức tạp khó kiểm sốt Vì vậy, kháng sinh loại thuốc thú y quan trọng thiếu chăn nuôi tập trung Tại Việt Nam ô nhiễm chất kháng sinh nước vấn đề đáng quan tâm Tuy nhiên, chuyển hóa kháng sinh sinh vật, tỷ lệ đáng kế (khoảng 60% - 90%) kháng sinh tiết vào hệ sinh thái dạng họp chất nguyên chất chất chuyển hóa thông qua nhiều nguồn khác nhau, bao gồm thuốc kê đơn hết hạn tiết, lưu trừ chất thải nơng nghiệp xử lý q trình sản xuất [1] Việc sử dụng chất kháng sinh chăn nuôi gia súc, gia cầm, thú y không xử lý dần đen việc tích tụ lượng lớn chất kháng sinh nước Trong đó, chất kháng sinh sulfamethoxazole (SMX) loại kháng sinh phố biến xếp hạng loại thuốc sulfonamid tiêu thụ nhiều loại kháng sinh kê đơn rộng rãi [2] Tuy nhiên, nhiều sở sừ dụng kháng sinh chăn nuôi cách thiếu trách nhiệm gây ảnh hưởng không nhỏ đến an toàn thực phẩm sức khỏe người Các kháng sinh có the thải môi trường cách xâm nhập vào nước thải gây hại chu trình vi sinh vật Điều gây ảnh hưởng trực tiếp tới sức khỏe người môi trường sống tự nhiên Đặc biệt nước thải sinh từ trình vệ sinh chuồng trại, [3] Gần đây, vật liệu dựa graphene graphene oxide (GO) graphene oxide dạng khử (rGO) thu hút quan tâm đặc biệt việc loại bỏ chất gây ô nhiễm cấu trúc đặc điếm hóa lý độc đáo chúng; graphene oxide (GO) graphene oxide dạng khử (rGO) áp dụng đe loại bỏ kháng sinh môi trường cung cấp hiệu suất hấp thụ đáng ý sau [4] Các kỳ thuật phồ biến áp dụng cho việc hấp thu kháng sinh từ môi trường dung dịch nước xừ lý thực vật, hấp phụ, oxy hóa hóa vật liệu, lọc điện hóa cách sử dụng màng lọc cụ thể, phương pháp xử lý sinh học [3] Mục tiêu nghiên cứu Đánh giá khả loại bỏ kháng sinh nước vật liệu graphene oxide dạng khử Nội dung nghiên cứu - Tong hợp graphene oxide dạng khử - Đánh giá cấu trúc vật liệu - Đánh giá khả loại bỏ kháng sinh nước vật liệu graphene oxide dạng khử Phạm vi nghiên cứu 4.1 Đoi tượng nghiên cứu Nước bị ô nhiễm kháng sinh Sulfamethoxazole 4.2 Thời gian nghiên cứu Từ ngày 01/06/2020 đến 30/09/2020 3.1.2 Phổ tản sắc lượng tia X (EDS) Spc_015 CKa C □ ă 5,000 £ ệ OỊ C OKa SKb 0 Energy [keV] 10 b) Hình 3.3: Phổ nguyên tố rGO trước hấp phụ (a) sau hấp phụ (b) Hình cho thấy nguyên tố diện rGO ban đầu (a) gom c, o Sau trình phản ứng, rõ ràng có xuất SMX (S) nguyên tố rGO (b), điều chứng tỏ SMX hấp phụ lên rGO 29 3.1.3 Phương pháp xác định diện tích bề mặt riêng lỗ xốp (BET) Ket xác định cho thấy diện tích bề mặt riêng rGO nghiên cứu 243,205 m2/g (chi tiết xem Phụ lục) 3.1.4 Phương pháp phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 Wawnumber cm-1 Hình 3.4: Phổ hồng ngoại FTIR cùa rGO Phổ hồng ngoại FTIR cùa rGO có đỉnh 1044 cm1 đặc trưng cho nhóm hydroxyl (edge phenol) [26] Phổ cho thấy khoảng từ 900 - 1300 cm'1 dải chồng lên nhiều nhóm C-0 [27] 3.2 ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC ĐIỀU KIỆN HẤP PHỤ LÊN KHẢ NĂNG HẤP PHỤ SMX CỦA REDUCED GRAPHENE OXIDE (RGO) 3.2.1 Anh hưởng giả trị pH ban đầu Ánh hưởng pH lên trình hấp phụ SMX rGO khảo sát điều kiện nhiệt độ phòng, nồng độ SMX ban đầu 20 ppm, hàm lượng vật liệu 0,8 g/L thời gian hấp phụ Giá trị pH điều chỉnh từ đến 11 dung dịch NaOH IM HNƠ3 IM Từ hình 3.5, ta thấy hiệu xử lý giảm pH tăng Điều có the giải thích mơi trường acid (pH < 5,6), SMX tồn dạng mang điện tích dương có the bị hấp phụ oxygen (mang điện tích âm) bề mặt rGO [28], [29], 30 100 pH Hình 3.5: Ảnh hưởng hàm lượng pH lên trình hấp phụ SMX 3.2.2 Anh hưởng nồng độ SMXban đầu Anh hưởng nồng độ SMX ban đầu (từ mg/L đen 40 mg/L) lên hiệu hấp phụ rGO trình bày hình 3.6 Có thể thấy với liều lượng rGO cố định (0,8 g/L), dung lượng hấp phụ có xu hướng giảm tăng nồng độ SMX ban đầu, từ 87% xuống 53% nồng độ SMX tăng từ ppm đen 40 ppm Điều cho thấy rằng, nồng độ SMX ban đầu thấp, tâm hấp phụ có sẵn nhiều nên dễ dàng hấp phụ SMX Khi nồng độ SMX dung dịch tăng lên cao so với khả hấp phụ vật liệu hiệu giảm theo 31 100 20 -I - 10 20 Nồng độ SMX ban đầu (nig/L) 30 40 Hình 3.6: Ảnh hường cùa nồng độ ban đầu lên trình hấp phụ SMX 3.2.3 Anh hưởng hàm lượng rGO Ảnh hưởng hàm lượng rGO lên hiệu xử lý SMX thể hình 3.7 Có thể thấy hiệu xử lý tăng đáng ke tăng hàm lượng rGO Với nồng độ ban đầu 20 mg/L, tăng hàm lượng vật liệu từ 0,2 g/L đến 1,2 g/L, hiệu xử lý SMX tăng từ 40% lên 86,8% Dung lượng hấp phụ tăng tăng hàm lượng rGO từ 0,2 g/L đen 1,2 g/L; sử dụng 0,8 g/L vật liệu, nong độ SMX sau hấp phụ 2,63 ± 0,06 mg/L Khi tăng lượng vật liệu lên đến 1,2 g/L hiệu xử lý tăng nhẹ Điều có the giải thích với nồng độ SMX ban đầu cố định, việc gia tăng hàm lượng rGO sè làm thừa chất hấp phụ nên tăng liều lượng hiệu xử lý tăng nhẹ 32 100 20 0.2 0.4 0.6 0.8 L2 Hàm lượng 1’GO (g/L) Hình 3.7: Ảnh hưởng hàm lượng rGO lên trình hấp phụ SMX 3.2.4 Anh hưởng cùa thời gian hấp phụ Ánh hưởng thời gian lên trình hấp phụ SMX thực cách hòa trộn O.8g/L rGO với nồng độ SMX 20ppm khoảng thời gian khác từ đến 24 Hình 3.8 cho thấy ảnh hưởng thời gian tiếp xúc lên tỷ lệ phần trăm hiệu xử lý SMX sử dụng rGO Có thể thấy, trình hấp phụ SMX tăng tăng thời gian tiếp xúc đạt trạng thái cân sau lắc SMX ban đầu hấp phụ nhanh, khoảng 68,5% sau Tiếp đó, q trình hấp phụ chậm lại trước đạt đến mức bão hòa 86,8% Tốc độ hấp phụ SMX ban đầu cao khuếch tán dễ dàng cùa SMX lên bề mặt chất hấp phụ lớn Sau đầu, lượng SMX bị giữ lại đáng kế vật liệu hấp phụ, trở thành rào cản cho trình tiếp xúc chất hấp phụ lượng SMX lại, dần đến tốc độ hấp phụ chậm hon Dựa kết này, thí nghiệm hấp phụ thực thời gian 33 100 80 60 40 20 - T ĩ -I -r -T -1 12 16 20 24 Thời gian (giờ) Hình 3.8: Biểu đồ đường chuẩn chất kháng sinh SMX 3.3 XÂY DựNG ĐƯỜNG ĐẢNG NHIỆT HẤP PHỤ Qua kết số nghiên cứu thực trình hấp phụ kháng sinh GO khử cho thấy chế hấp phụ kháng sinh lên GO dạng khử thường phù hợp với thuyết Langmuir Freundlich Khi nghiên cứu GO dạng khử, thuyết áp dụng để xây dựng để xây dựng đường đẳng nhiệt hấp phụ 3.3.1 Mơ hình đường đăng nhiệt Langmuir Lý thuyết Langmuir dựa giả thuyết trình hấp phụ đơn lớp với tương tác phân tử chất hấp phụ Quá trình hấp phụ diễn cụ thể tâm hấp phụ chất hấp phụ Mồi tâm hấp phụ giữ phân tử định cùa hợp chất Chất hấp phụ có khả giới hạn cho việc hấp phụ trạng thái cân Điểm bão hòa đạt khơng thể hấp phụ Điều quan trọng, mô tả cách tương tác chất hấp phụ với VLHP rGO qua đường đẳng nhiệt hấp phụ Đường đẳng nhiệt cung cấp số hiểu biết sâu sắc trình hấp phụ cung cấp thông số quan trọng tiết lộ chế hấp phụ Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir tuyến tính trình bày cơng thức đây: _ 1 34 Trong đó: - qe (mg/g): lượng chất hấp phụ bị hấp phụ trạng thái cân - qm (mg/g): dung dịch hấp phụ tối đa đơn lớp VLHP - Ce (mg/1): nồng độ chất hấp phụ trạng thái cân - Kl (1/mg): hang so Langmuir Từ mơ hình Langmuir, RL tính cơng thức đây: L 1 + Kl^o Trong đó: - co (mg/1): nồng độ kháng sinh cao dung dịch - Kl (1/mg): hang so Langmuir Q trình hấp phụ coi khơng thuận lợi /?£>1, tuyến tính R[=ỉ, thuận lợi Q