phát triển vật liệu trên cơ sở cellulose vi khuẩn để hấp phụ cation kim loại trong nước ô nhiễm

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG- Phân tích các đặc trưng về cấu trúc của vật liệu cellulose vi khuẩn từ thạch dừa,- Khảo sát quá trình hấp phụ cation kim loại Cd2+ bằng cellulose vi khuẩn từ th

TỔNG QUAN

Tổng quan về hiện trạng ô nhiễm nước do kim loại nặng

1.1 Vấn đề ô nhiễm nguồn nước

Nước là nguồn tài nguyên vô giá và cần thiết cho mọi sinh vật trên trái đất bao gồm cả thực vật, động vật và con người để duy trì sự sống, do đó việc quan tâm và bảo vệ nguồn nước là vấn đề tất yếu [1] Hệ thống cung cấp nước sạch và xử lý nước thải an toàn được xem là một trong những mục tiêu để phát triển bền vững Đây còn là một nhiệm vụ mang tính thử thách rất lớn mà con người phải đối mặt trong thế kỷ XXI Bởi lẽ, sự phát triển nhanh chóng của quá trình công nghiệp hóa, đô thị hóa mà không quy hoạch cẩn thận và toàn diện dẫn đến sự thay đổi khí hậu và sự ô nhiễm gia tăng do ảnh hưởng từ nguồn nước thải công nghiệp và nước thải sinh hoạt Hiện nay,chất lượng nước đã bị sụt giảm đến mức báo động trên toàn thế giới [2]

Bên cạnh vấn đề ô nhiễm hóa chất hữu cơ và vi sinh vật, ô nhiễm ion kim loại nặng trong nước đã xuất hiện và trở thành một trong những vấn đề môi trường đáng lo ngại nhất trong những thập kỷ gần đây [3] Ví dụ điển hình cho việc ô nhiễm ion kim loại nặng là sự cố Hinckley, giữa năm 1952 và 1966 Pacific Gas và Electric đã sử dụng Cr(VI) để chống ăn mòn trong hệ thống tháp giải nhiệt Nước từ hệ thống này được thải vào các ao không có lưới chắn, cuối cùng làm ô nhiễm nguồn nước ngầm và ảnh hưởng đến khu vực rộng 3,2 x 1,6 km gần nhà máy Sau khi bị nhiễm vào nguồn cung cấp nước uống, Cr(VI) đã khiến rất nhiều cư dân trong khu vực nhập viện với các biểu hiện bất thường về sức khỏe và làm tăng các trường hợp mắc bệnh ung thư vú, bệnh Hodgkin, sảy thai, khối u thận và buồng trứng cũng như ung thư phổi, não và đường tiêu hóa trong cộng đồng Việc khắc phục ô nhiễm nước ngầm đã được tiến hành vào năm 2013 và cho đến nay đã tiêu tốn hơn 750 triệu đô la Mỹ [4]

Bảng 1.1 Các nguồn kim loại nặng phát thải vào môi trường nước [5]

Ngành công nghiệp Kim loại Tài liệu tham khảo

Khai thác mỏ Cd, Cu, Ni, Cr, Co, Zn [6]

Phân bón Cd, Cr, Mo, Pb, U, V, Zn [7]

Chất thải rắn và bùn thải Zn, Cu, Ni, Pb, Cd, Cr, As, Hg [8] Chuyên ngành hợp kim và thép Pb, Mo, Ni, Cu, d,As,Te,U,Zn [9]

Bãi rác Zn, Cu, Cd, Pb, Ni, Cr, Hg [10] Điện, điện tử Pb, Cd, Hg, Pt, Cu, Cr, As, Ni, Mn [11]

Mạ điện Cr, Ni, Zn, Cu [12]

Sơn và bột màu Pb, Cr, As, Ti, Ba, Zn [13]

1.2 Nguồn phát thải kim loại nặng vào nước

Kim loại đã tồn tại trên Trái đất từ rất lâu và gần 75% tổng số nguyên tố trong bảng tuần hoàn được phân loại là kim loại Tuy nhiên, thuật ngữ “kim loại nặng” vẫn chưa rõ ràng Có thể hiểu một cách đơn giản, kim loại nặng có mật độ lớn hơn 5 g.cm -3 [14] Kim loại nặng được sử dụng rộng rãi trong mọi khía cạnh của cuộc sống chúng ta, từ các thiết bị điện tử, máy móc, Kết quả dẫn đến việc rất nhiều ion kim loại nặng có thể xâm nhập vào nước từ nhiều nguồn nhân tạo khác nhau cũng như từ quá trình phong hóa, địa hóa tự nhiên của đất và đá [15] Sự hiện diện của ion kim loại nặng trong nước thải chủ yếu phụ thuộc vào sự phát triển của công nghiệp và các hoạt động của con người như công nghiệp mạ và mạ điện, công nghiệp hóa chất, luyện kim, dệt may, lọc dầu, thuộc da, nhựa, khai thác mỏ, sản xuất pin, sơn và bột màu, công nghiệp giấy và bột giấy, [2, 3, 14] Những kim loại nguy hiểm hàng đầu bao gồm Cd, Cu, Ni, Cr, Co,

1.3 Ảnh hưởng của kim loại nặng đến môi trường và sức khỏe con người

Một số ion kim loại nặng cần thiết cho thực vật và động vật ở mức độ vi lượng tuy nhiên ở nồng độ cao hơn sẽ tạo ra một loạt các ảnh hưởng tiêu cực [16] Nồng độ ion kim loại nặng trong nước thải cao sẽ xâm nhập vào môi trường, gây nguy hiểm cho cả sức khỏe con người và hệ sinh thái vì các ion kim loại nặng không thể phân hủy thành các sản phẩm vô hại, trái ngược với các chất ô nhiễm hữu cơ, phần lớn trong số đó có thể phân hủy sinh học, không gây hại cho môi trường [17]

Ion kim loại nặng trong nước có thể không phải là nguyên nhân trực tiếp gây phơi nhiễm cho con người, nhưng là nguyên nhân chính gây ô nhiễm nguồn nước mặt và nước ngầm Con người có thể không sử dụng những nguồn nước bị ô nhiễm này Tuy nhiên, ion kim loại nặng hòa tan trong môi trường nước và do đó có thể dễ dàng được hấp thụ bởi các sinh vật sống khác, sự gia tăng và tích lũy như vậy cuối cùng sẽ truyền các chất ô nhiễm cho con người và gây ra các rối loạn sức khỏe nghiêm trọng Những kim loại này sẽ được thực vật hấp thụ và tích tụ trong các mô thực vật, những động vật ăn phải những cây bị ô nhiễm hay uống phải nguồn nước bị ô nhiễm sẽ tích tụ ion kim loại nặng trong các mô và sữa của chúng [18] Có thể thấy được tất cả các sinh vật khác nhau sống trong một hệ sinh thái nhất định sẽ có khả năng bị nhiễm kim loại nặng dọc theo chuỗi thức ăn của chúng

Khi cơ thể tích lũy hàm lượng lớn kim loại nặng sẽ gây nên nhiều biến chứng nặng nề Điển hình là tình trạng tổn thương não, co rút các bó cơ Mặt khác, kim loại nặng khi tiếp xúc với màng tế bào sẽ ảnh hưởng đến quá trình phân chia DNA dẫn đến thai lưu, dị dạng, quái thai gây ảnh hưởng nặng nề cho thế hệ sau [19, 20] Ngoài ra, kim loại với nồng độ cao dễ gây cản trở quá trình trao đổi chất trong cơ thể Từ đó, việc hấp thụ chất dinh dưỡng và quá trình bài tiết cũng trở nên khó khăn hơn Khiến sự sinh trưởng và phát triển bị kìm hãm Lâu ngày sẽ làm rối loạn tiêu hóa, rối loạn chức năng hệ thống thần kinh, rối loạn tim mạch,…có thể gây ra tình trạng khô miệng, đau bụng, buồn nôn, tiêu chảy, rối loạn sắc tố da,… thậm chí, nhiều trường hợp nặng có thể dẫn đến lở loét chân tay, tiểu đường, mắc bệnh tim mạch hay viêm bàng quang [21]

Bảng 1 2 Các triệu chứng và bệnh lý gây ra bởi một số kim loại theo WHO [16]

Kim loại nặng Triệu chứng và bệnh lý Tài liệu tham khảo

Cd Gây ra bệnh khí phế thũng, tăng huyết áp, bệnh thận, đái tháo đường, dị tật xương [22]

Dị ứng, phát ban da, kích ứng mũi, chảy máu cam, loét dạ dày, suy yếu hệ thống miễn dịch, tổn thương thận và gan, ung thư

Co Tê liệt, tiêu chảy, kích ứng phổi, khuyết tật xương, hạ huyết áp, thay đổi tế bào di truyền [24]

Cu Bệnh Menkes, Wilson, Alzheimer, Parkinson, tổn thương mắt và gan, nôn mửa, chuột rút, co giật [25]

Fe Bệnh Hemochromatosis, rối loạn mắt, ung thư và bệnh tim [26]

Pb Tổn thương hệ thống sinh sản, hệ thần kinh trung ương, gan và thận [27]

Hg Bệnh thận, phổi và mắt, viêm da, rối loạn chức năng hệ thần kinh [28]

Mn Rối loạn cảm xúc, tâm lý, cơ thể run rẩy và nhiễm trùng đường hô hấp [29]

Thiếu máu, tiêu chảy, bệnh não, viêm gan, tổn thương phổi và thận, suy tiêu hóa, xơ phổi, phù thận, viêm da, rối loạn chức năng hệ thần kinh

Zn Trầm cảm, rối loạn cảm xúc, suy hô hấp, chán ăn, tiêu chảy, đau đầu [31]

Bảng 1.2 tổng hợp các triệu chứng và bệnh lý phổ biến bởi kim loại [16] Nhiễm độc kim loại nặng gây rối loạn chuyển hóa canxi và làm xuất hiện các bệnh lý về xương như loãng xương, xương yếu, dị dạng xương, đau nhức khớp xương, viêm khớp,… [32] Mặt khác, kim loại nặng còn ảnh hưởng đến hệ hô hấp như viêm mũi, mất khứu giác [33] Một số kim loại nặng còn có thể gây ra biến chứng ung thư, “Trung tâm nghiên cứu quốc tế về ung thư” (IARC) và “Cục bảo vệ môi trường Hoa Kỳ” (EPA) cho rằng kim loại nặng là tác nhân chính gây ung thư ở người [34] Hơn thế nữa kim loại nặng

Các phương pháp xử lý ion kim loại nặng trong nước

còn là nguyên nhân chủ yếu gây ô nhiễm môi trường, các kim loại này theo mưa ngấm vào đất, nước ngầm, nước mặt, chúng cực kỳ khó bị phân hủy sinh học so với các chất hữu cơ nên trở thành một thách thức lớn trong việc xử lý [35]

2 Các phương pháp xử lý ion kim loại nặng trong nước

Qua nhiều quá trình nghiên cứu đã có rất nhiều công nghệ được ứng dụng trong thực tế để loại bỏ ion kim loại ra khỏi nước như kết tủa hóa học, lọc, trao đổi ion, keo tụ, điện hóa, màng sinh học hoặc hấp phụ bằng carbon hoạt tính, [16] Nhưng thường việc áp dụng riêng lẻ các phương pháp này sẽ không đủ hiệu quả để xử lý đạt hàm lượng kim loại dưới ngưỡng cho phép Ví dụ, theo quy chuẩn Việt Nam, hàm lượng đồng trong nước uống không được vượt quá 2 mg/L và dĩ nhiên nếu áp dụng phương pháp kết tủa hóa học sẽ không thể xử lý đạt dưới mức này [36] Do đó đề tài được thực hiện với hy vọng đề xuất được một giải pháp kỹ thuật đáp ứng được mục tiêu xử lý các ion kim loại nặng trong nước với hiệu suất cao và chi phí thấp Tuy nhiên để lựa chọn một công nghệ phù hợp đáp ứng nhu cầu đề ra phải phân tích và hiểu rõ các phương pháp, kỹ thuật hiện nay Vì vậy, một số quy trình công nghệ phổ biến dùng để xử lý ion kim loại nặng trong nước sẽ được đề cập và đánh giá như bên dưới

Phương pháp kết tủa hóa học

Kết tủa hóa học là một trong những phương pháp xử lý ion kim loại nặng phổ biến và phát triển mạnh trong nền công nghiệp xử lý nước thải, do tính khả thi cao về giá cả và công nghệ [18] Thông thường, một số hóa chất được thêm vào để kết tủa các ion kim loại nặng, tạo ra kết tủa không hòa tan và lắng xuống Hydroxides và sulfides là những ví dụ phổ biến về kết tủa hóa học, do có chi phí thấp và dễ ứng dụng [37] Một ví dụ khác là trường hợp vôi (CaO hoặc Ca(OH)2) được thêm vào nước thải khuấy trộn để tạo ra các hydroxide kim loại nặng và ion Ca 2+ nên vôi được khuyến khích để xử lý nước thải vô cơ [38] Phương pháp kết tủa hóa học thường được sử dụng để loại bỏ các ion kim loại nặng có nồng độ cao trong nước thải nhưng tính hiệu quả lại phụ thuộc nhiều vào tính chất và các thành phần hóa học của nước thải [39].Tuy nhiên, phương pháp

6 này có một số nhược điểm, bao gồm sử dụng hoá chất để tăng giá trị pH, do đó sẽ tạo ra các chất khác, có thể được coi là chất thải thứ cấp [40]

Phương pháp keo tụ tạo bông

Quá trình liên kết các bông cặn sau quá trình keo tụ lại dưới tác động của phương pháp khuấy tốc độ nhỏ nhằm tăng kích thước và khối lượng của cặn để các bông cặn có thể dễ dàng lắng xuống gọi là quá trình tạo bông [41] Aluminium, iron sulfate, iron chloride cùng với polyaluminum chloride (PAC), polyferric sulfate (PFS), polyacrylamide (PAM) thường được sử dụng làm chất keo tụ tạo bông Thông thường, các chất keo tụ tạo bông là các hợp chất tổng hợp và có khả năng phân huỷ sinh học kém, gây ra tình trạng ô nhiễm thứ cấp [42] Quá trình này được mô tả ngắn gọn trong Hình 1.1

Hình 1 1 Sơ đồ quy trình xử lý keo tụ-tạo bông [17]

Phương pháp này dựa trên phản ứng oxy hóa khử ở hai điện cực (cực âm và cực dương) để làm sạch nước thông qua việc chuyển hoá và loại bỏ kim loại Quá trình điện hóa thực sự có hiệu quả cao trong xử lý nước thải, đơn giản và thân thiện với môi trường, tiết kiệm năng lượng và không đòi hỏi nhiều nhân lực [5] Vật liệu làm điện cực có hiệu quả cao khá đắt tiền, do đó, để đạt hiệu quả với mức chi phí phù hợp nên nghiên cứu phát triển các vật liệu khác [15] Trong nghiên cứu xử lý Cd(II) trong nước, nhóm tác

7 giả đã nhận ra tại bề mặt tiếp xúc giữa dung dịch và điện cực trong môi trường pH kiềm có thể dẫn đến sự hình thành kết tủa Cd(OH)2 sau đó kết tủa Cd(OH)2 bị giữ lại trên điện cực như một hạt keo tích điện Ngoài ra, phương pháp điện hóa còn có thể xử lý các kim loại nặng khác như đồng, kẽm, nickel, sắt hoặc bạc [43]

Nhìn chung, quy trình hóa học là phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất để loại bỏ kim loại nặng trong nước cho đến nay do tính đơn giản, hiệu quả ngay cả đối với quy mô lớn nên có thể sử dụng trong công nghiệp Tuy nhiên, trong tương lai những quy trình hóa học này sẽ không được áp dụng do đa số phương pháp cần sử dụng nhiều hóa chất phụ dẫn đến các chất ô nhiễm thứ cấp, đòi hỏi thiết bị, các công nghệ tiên tiến và nguồn nhân lực có chuyên môn Do nhiều nguyên nhân vừa nêu, các quá trình vật lý không sử dụng hoá chất và ít tốn kém trở thành phương pháp được ưu tiên hơn, đặc biệt là trong lĩnh vực nghiên cứu, trở thành một ứng cử viên đầy hứa hẹn để thay thế các quy trình hóa học

“Tuyển nổi không khí hòa tan” (Dissolved air flotation, DAF) là quy trình thêm không khí (hoặc khí) vào nước thải để tạo ra các vi bong bóng có thể liên kết với các ion kim loại và tạo thành các khối có tỷ trọng thấp hơn nước nên sẽ nổi lên mặt nước Do đó có thể loại bỏ một cách đơn giản bằng cách thu thập ở bề mặt của nguồn nước thải [44] Nhược điểm của phương pháp này là ở nồng độ ion kim loại thấp, phương pháp tuyển nổi này sẽ không hiệu quả và phương pháp này có giới hạn về nhiệt độ (nhỏ hơn 40 o C) [45, 46] Thời gian gần đây, tuyển nổi không khí đã thu hút được rất nhiều sự chú ý do hiệu quả xử lý vượt trội tuy nhiên chúng bị hạn chế do chi phí đầu tư, bảo dưỡng thiết bị cao, quá trình kiểm soát áp suất khó khăn nên đòi hỏi nguồn nhân lực có chuyên môn khi vận hành

Phương pháp trao đổi ion

Kỹ thuật trao đổi ion sử dụng quá trình thuận nghịch thay thế các ion kim loại không mong muốn ra khỏi dung dịch có sẵn và thay thế bằng những ion an toàn, thân thiện với môi trường như proton, cation kim loại kiềm, kiềm thổ Hình 1.2 minh họa một ion kim loại nặng có thể được loại bỏ khỏi dung dịch nước thải bằng cách gắn nó vào một hạt rắn tĩnh để thay thế cho cation hạt rắn Các hạt rắn trao đổi ion có thể được làm bằng nhựa hữu cơ hoặc zeolite vô cơ [47]

Hình 1 2 Sơ đồ quy trình trao đổi ion [47]

Các chất mang tự nhiên với chi phí thấp như zeolite, silica và đất sét, mang đến tiềm năng cao cho việc lọc nước theo cơ chế trao đổi ion [48] Điện tích âm ở trung tâm tứ diện đòi hỏi phải có một extra-framework cations để trung hòa điện tích và extra- framework cations này đã mang lại cho zeolite khả năng trao đổi cation mạnh mẽ từ đó mở ra khả năng loại bỏ các cation kim loại độc hại khỏi nước bằng zeolite Hình 1.3 minh hoạ quy trình loại bỏ ion Co(II) bằng zeolite Y [49] Quy trình xử lý các ion kim loại nặng trong nước bằng phương pháp trao đổi ion thường được đề xuất áp dụng cho nồng độ kim loại dưới 1000 ppm và trong dung dịch không chứa nhiều các ion cạnh tranh Ngoài ra, thiết kế hệ thống trao đổi ion thường tốn nhiều chi phí hoặc đòi hỏi dung dịch đầu vào không được có các hạt keo không tan để duy trì hiệu suất cho quy trình và tính tái sinh vật liệu của quy trình này thường không cao [50]

Hình 1 3 Quá trình trao đổi Co 2+ tại các vị trí có extra-framework cation (Na + ) trong zeolite NaY [49]

Hiểu một cách đơn giản, màng đóng vai trò như một rào cản để giữ hai pha tách nhau bằng cách hạn chế chuyển động của các thành phần nhất định, nguyên lý của phương pháp này là sử dụng áp lực đẩy dòng nước thải đi qua lớp vật liệu màng có cấu trúc lỗ xốp và các hạt cặn bẩn sẽ được giữ lại trên màng [51] Màng lọc đã được phát minh từ thế kỷ XVIII, kể từ đó một số nghiên cứu đã được thực hiện để tăng khả năng ứng dụng của màng cho nhiều lĩnh vực khác nhau Các động lực khác nhau được sử dụng để tăng tốc độ lọc trong nhiều môi trường khác nhau, bao gồm các quá trình điều khiển áp suất và chân không, các quy trình dựa trên sự cân bằng và không cân bằng áp suất [51] Công nghệ màng có thể được phân loại dựa trên các lực đẩy khác nhau như áp lực, nồng độ hoặc điện tích Đối với loại màng lọc áp lực bao gồm có ultrafiltration, microfiltration, nanofiltration và lọc thẩm thấu ngược Reverse Osmosis (RO) (Hình 1.4) Công nghệ màng có thể được sử dụng ở cuối quy trình xử lý để đạt nồng độ ion kim loại nặng phù hợp trước khi xả thải ra môi trường, tuy nhiên phương pháp này yêu cầu chi phí lắp đặt và vận hành khá cao [52]

Hình 1 4 Cấu tạo đơn giản của màng lọc RO cho quá trình xử lý nước

Do những phương pháp nêu trên vẫn còn một số hạn chế, chủ yếu là do sự xuất hiện các chất ô nhiễm thứ cấp không mong muốn và chi phí lắp đặt cũng như vận hành khá cao Hấp phụ được cho là cực kỳ hấp dẫn trong thời điểm hiện tại do chi phí rẻ tiền, chế tạo đơn giản và hiệu suất hoạt động tốt, đặc biệt hiệu quả loại bỏ cao các chất ô nhiễm khỏi dung dịch [53] Hấp phụ là quá trình mà một hoặc nhiều thành phần (chất bị hấp phụ) bị thu hút và tạo liên kết với bề mặt của một chất rắn mà chúng tương tác Các liên kết này (liên kết ion, cộng hóa trị hoặc kim loại) phụ thuộc vào tính chất của các thành phần tham gia, tuy nhiên vật liệu hấp phụ được phân loại thành các dạng: hấp phụ vật lý, hấp phụ hóa học hoặc hấp phụ tĩnh điện [54] Chất hấp phụ phổ biến nhất đã được sử dụng rộng rãi từ thế kỷ XVIII là than hoạt tính và gần đây các vật liệu dựa trên sinh khối cũng thường được sử dụng để loại bỏ ion kim loại nặng bằng phương pháp hấp phụ [55]

Than hoạt tính đã được chứng minh là sử dụng hiệu quả để làm chất hấp phụ trong việc loại bỏ các chất ô nhiễm kim loại khỏi môi trường nước do diện tích bề mặt lớn Hiệu quả của than hoạt tính trong việc lọc nước bị ô nhiễm được cho là do sự tồn tại của một phổ rộng các nhóm chức trên bề mặt và cấu trúc xốp của nó Tuy nhiên, chúng có chi phí cao và điều đó khiến việc sử dụng bị hạn chế [56]

Dựa vào các nguyên nhân được nêu, chất hấp phụ sử dụng vật liệu rẻ tiền với đặc tính hấp phụ hiệu quả và bản chất thân thiện với môi trường thu hút sự chú ý đáng kể [29]

Cellulose vi khuẩn (Bacterial cellulose, BC)

3.1 Giới thiệu chung về BC

Thực vật là nguồn cung cấp chủ yếu cellulose do cellulose chiếm phần lớn trong thành tế bào thực vật (sợi bông, bột gỗ) [57] Hàm lượng cellulose có thể thay đổi theo các nguồn khác nhau Ví dụ, gỗ chứa khoảng 40-50% trọng lượng cellulose, một lượng tương đương có thể được tìm thấy trong bã mía (35-45% trọng lượng), tre (40–55%), rơm (40–50%), và thậm chí cao hơn ở hạt lanh (70–80%) [84] Ở thực vật, cellulose có chức năng như một thành phần cấu trúc trong thành tế bào Mặc dù nó tồn tại trong thành tế bào thực vật với lượng lớn nhưng có kèm theo hemicelluloses và lignin đóng vai trò liên kết các sợi cellulose với nhau [58]

Bên cạnh phương pháp cơ bản thu được cellulose từ thực vật (plant cellulose, PC), năm

1988, Brown đã ghi nhận sự phát triển của lớp tế bào không phân nhánh có cấu trúc hóa học tương tự PC và được phân loại là cellulose vi khuẩn BC là một loại cellulose sinh tổng hợp được sản xuất bởi vi khuẩn thuộc chi Acetobacter [59] Cấu trúc BC là một polymer mạch thẳng, dài bao gồm các đơn vị glucose nối với nhau bằng liên kết β-1,4- glycosidiccó cả vùng vô định hình và vùng kết tinh tồn tại trong các sợi đơn giống

12 cellulose thực vật (Hình 1 5) [60] Tuy thành phần giống các sợi cellulose thực vật nhưng cấu trúc sợi của BC bao gồm các sợi micro tập hợp lại như dải băng và dày (0,1x10 -6 m) nhỏ hơn khoảng 100 lần so với sợi PC (10x10 -6 m) và được phân bố không có trật tự bởi sự chuyển động không định hướng của vi khuẩn lên men nên sợi micro duy trì cấu trúc mạng tốt hơn [61]

Hình 1 5 Cấu trúc mạng cellulose trong BC [60]

Theo thực tế, quá trình chiết xuất sinh khối lignocellulosic thông qua phương pháp Top- down để chiết xuất cellulose thực vật tốn rất nhiều thời gian và công sức, thậm chí có thể dẫn đến ô nhiễm thứ cấp [62] Do đó hiện nay phương pháp sản xuất BC bởi vi khuẩn thuộc chi Acetobacter thông qua quá trình sinh tổng hợp trở nên phổ biến hơn [63] BC thu được theo cách này không chỉ vẫn giữ được những tính chất cơ bản PC mà còn mang một số đặc tính vượt trội hơn bao gồm mức độ kết tinh cao (lên tới 84-89%), độ tinh khiết cao (không có các phân tử gây ô nhiễm như lignin, hemicellulose và pectin), giữ nước tốt hơn, độ bền cơ học cao hơn, mức độ trùng hợp tăng (dao động từ

300 đến 10 000 tùy thuộc vào điều kiện thực hiện, các chất phụ gia khác nhau và cuối cùng là các chủng vi khuẩn) và tăng cường tính tương thích sinh học, ngoài chủng vi khuẩn Acetobacter đã nêu trên BC còn có thể phát triển trên một số loại vi khuẩn khác như Agrobacterium, Azotobacter, Alcaligenes, Achromobacter và Sarcina [64]

3.3 Quá trình tổng hợp BC

Acetobacter xylinum được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi cho quy mô thương mại vì có thể sản xuất từ nhiều nguồn carbon và nitơ khác nhau [53] Việc nuôi vi khuẩn

Acetobacter xylinum được thực hiện bằng cách trộn đều các nguyên liệu vào dung dịch chứa carbohydrate như nước dừa, nước ép trái cây hoặc dung dịch đường nhân tạo có bổ sung các nguyên tố vi lượng tạo thành môi trường lên men Độ pH của môi trường được điều chỉnh bằng acetic acid Sau đó, Acetobacter xylinum được nuôi trong thời gian nhất định ở môi trường hiếu khí tạo màng BC trên bề mặt của pha lên men Màng

BC được lấy ra khỏi môi trường nuôi cấy, rửa sạch bằng nước khử ion, xử lý bằng NaOH để loại bỏ môi trường và tế bào còn sót lại [65] Hình 1.6 mô tả quá trình hình thành các sợi cellulose từ A Xylinum [66]

Hình 1 6 Sự hình thành các sợi nhỏ của BC trong A Xylinum [66]

Hiệu quả của quá trình tổng hợp BC thay đổi rất nhiều tùy thuộc vào chất nền tăng trưởng - cung cấp năng lượng cho quá trình trao đổi chất của vi khuẩn [65] Sự kết hợp giữa một số lượng lớn các enzyme riêng lẻ và phức hợp protein xúc tác có liên quan đến quá trình nhiều bước tạo ra BC từ glucose được thể hiện trong Hình 1.7 [67]

Hình 1 7 Con đường sinh hóa tổng hợp cellulose của A Xylinum [67] Trong quá trình này, UDPGlc, tiền thân của quá trình tổng hợp cellulose, được tạo ra Tiếp theo, glucose trùng hợp để tạo thành chuỗi β-1,4-glycosidic, dần dần phát triển thành một cấu trúc giống như ruy băng của chuỗi cellulose được tạo thành từ hàng trăm hoặc thậm chí hàng ngàn chuỗi cellulose riêng [67] BC được tạo ra từ vi sinh vật có một cơ chế đặc biệt trong việc tổng hợp các phân tử chuỗi đi kèm với quy trình sắp xếp tinh vi [68] Khác với BC thực vật, BC trong thạch dừa có độ tinh khiết cao và không chứa lignin và pectin [69] Sau khi được tạo ra, BC phát triển các thành những khối cellulose ngoại bào rối dần dần có thể hình thành hình dạng phức tạp như găng tay [70]

BC tổng hợp được có đường kính 10–50 nm với chiều dài 100–1000 nm [71] So với sợi cotton có chiều dài tối đa vài cm, BC có thể đạt chiều dài một mét trong một sợi, cấu trúc BC được tạo ra rất xốp (Hình 1.8), điều này có thể được giải thích bởi khả năng hình thành cellulose từ nhiều hướng khác nhau của vi khuẩn, cấu trúc xốp này kết hợp

15 với các thuộc tính độc đáo của chính nó để xây dựng các cấu trúc liên kết mạng 3D tiềm năng, dẫn đến nhiều ứng dụng của BC [72, 73]

Hình 1 8 Hình ảnh FE-SEM của BC ở các độ phóng đại khác nhau [72] 3.4 Ứng dụng của BC

Như đã đề cập trước đây, BC là một polymer sinh học với cấu trúc đặc biệt, đặc tính vật lý và cơ học tốt với tiềm năng có thể biến tính bằng nhiều kỹ thuật để tạo ra một thế hệ vật liệu nanocomposite mới mang các đặc tính nâng cao Đối với BC, không cần xử lý hóa chất khắc nghiệt như với PC, với khả năng giữ nước tốt BC mang đến triển vọng cho phép phát triển màng BC không bao giờ khô [74] BC cho thấy nó phù hợp với nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực: công nghiệp thực phẩm, lĩnh vực y sinh, thiết bị quang điện tử, công nghệ in 3D và ứng dụng trong xử lý môi trường [75] Ứng dụng trong thiết bị quang điện và điện tử

Trong những thập kỷ gần đây, việc đầu tư nguồn lực vào đổi mới các linh kiện linh hoạt, trong suốt, ổn định nhiệt và có khả năng tái chế để tạo ra các thiết bị điện đang trong giai đoạn bão hòa, mà nanocomposite dựa trên bacterial cellulose có thể đáp ứng được những đặc điểm này [76] Độ bền cơ học tuyệt vời, độ ổn định nhiệt và hình thái bề mặt

16 của BC làm cho nó trở thành một vật liệu hấp dẫn để sử dụng trong các thiết bị điện tử và quang điện tử, chẳng hạn như pin mặt trời, điốt phát sáng hữu cơ (OLED), vật liệu điện môi cho bóng đèn bán dẫn và siêu tụ điện [77] Do BC mang những đặc tính độc đáo liên quan đến các ứng dụng điện tử như vậy nên Zhuravleva và các đồng nghiệp cho rằng việc sử dụng BC có thể cải thiện tính chất cách điện của giấy truyền thống về độ bền điện và cơ học và khả năng chịu nhiệt [78] Ứng dụng trong bao bì và nguyên liệu thực phẩm Ở các quốc gia châu Á, đặc biệt là Việt Nam, món tráng miệng truyền thống được gọi là thạch dừa (nata de coco), nhìn từ bên ngoài tương tự Hình 1.9 do thực chất là màng

BC được tạo thành từ nước dừa Việc sản xuất thạch dừa đã có lịch sử từ lâu dựa trên điều kiện khí hậu và nông nghiệp đặc trưng Ngoài nước dừa, nước ép dứa cũng có thể được sử dụng là nguyên liệu để sản xuất BC với sản phẩm được gọi là thạch dứa (nata de pina)[79] Kết cấu mềm mịn, dẻo dai tương tự gelatin tồn tại trong màng BC ướt là yếu tố quyết định để ứng dụng trong thực phẩm Điều quan trọng cần lưu ý là BC có thể sản xuất thành các thực phẩm ít năng lượng, giàu chất xơ cũng như hàm lượng cholesterol thấp phù hợp với chế độ dinh dưỡng của người ăn kiêng, người đang giảm cân [79, 80] BC đã được xác nhận an toàn bởi “Cục Quản lý thực phẩm và dược phẩm Hoa Kỳ” (FDA) vào năm 1992 [75] Do đó, nó được sử dụng rộng rãi làm nguyên liệu thô, thành phần thực phẩm hoặc phụ gia

Hình 1 9 Hình ảnh minh họa cho các món ăn từ thạch dừa

Cơ sở lựa chọn và mục tiêu của đề tài

Ô nhiễm kim loại nặng trong nước và biện pháp xử lý hiệu quả là một vấn đề toàn cầu Trong các công nghệ xử lý phổ biến, hấp phụ đã trở thành ứng cử viên mạnh mẽ do tính đơn giản và hiệu quả Do đó, các chất hấp phụ sinh học từ các phụ phẩm nông nghiệp với chi phí thấp và có thể phân hủy sinh học, đã thu hút được rất nhiều sự chú ý

Cellulose là polymer phong phú nhất trên Trái đất nên các vật liệu từ dẫn xuất của nó đã trở thành đề tài thu hút được nhiều sự chú ý trong vài thập kỷ qua và chứng minh các ứng dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực đặc biệt là xử lý môi trường Trong số các nghiên cứu được công bố, cellulose thực vật được sử dụng phổ biến hơn hết Trước đây khi sử dụng cellulose thực vật cho quá trình xử lý nước cần những bước tiền xử lý bằng hóa chất qua các quá trình phức tạp bao gồm phân tách, tẩy trắng, nảy sinh vấn đề mới là loại bỏ các chất ô nhiễm thứ cấp và các sản phẩm phụ từ giai đoạn tiền xử lý bên cạnh mục đích ban đầu Do đó, cellulose vi khuẩn không chỉ mang nhiều tính chất hóa lý giống cellulose thực vật mà còn được cho là nổi trội hơn cellulose thực vật về một số đặc điểm hóa lý (không bị lẫn lignin, pectin, hemicellulose, độ tinh thể cao hơn, cấu trúc xốp) đã trở thành một lựa chọn đầy hứa hẹn để thay thế cellulose thực vật

Do đó, nghiên cứu này hướng đến ứng dụng BC có trong thạch dừa để hấp phụ các kim loại nặng trong nước dựa trên những kết quả thu được từ BC nguyên chất, một quy trình biến tính được đề xuất để nâng cao khả năng hấp phụ Mục tiêu của nghiên cứu này tập trung vào khảo sát các điều kiện tổng hợp tác động đến khả năng hấp phụ của vật liệu để tăng hiệu quả hấp phụ và loại bỏ kim loại nặng gây hại cho môi trường, đồng thời khảo sát các yếu tố gây ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ ion kim loại

THỰC NGHIỆM

Nội dung nghiên cứu

- Đánh giá hoạt tính hấp phụ Cd(II) của bacterial cellulose nguyên chất từ thạch dừa

- Tổng hợp vật liệu BC biến tính (phosphorylated bacterial cellulose, PBC) từ thạch dừa và các muối thông dụng.

- Phân tích cấu trúc của vật liệu BC trong thạch dừa trước và sau khi biến tính

- Đánh giá hoạt tính hấp phụ Cd(II) của vật liệu PBC và mở rộng khảo sát khả năng hấp phụ các cation kim loại độc hại khác

- Các đặc trưng cấu trúc của vật liệu được xác định bằng nhiều phương pháp phân tích khác nhau, cụ thể: o Phương pháp nhiễu xạ tia X (X-Ray Diffraction, XRD) o Phương pháp quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (Fourier Transform Infrared Spectroscopy, FT-IR) o Phương pháp phân tích nguyên tố o Phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng (Thermogravimetric analysis, TGA)

- Quá trình biến tính bề mặt BC được tiến hành thông qua phương pháp phosphoryl hóa thạch dừa với sự có mặt của diammonium hydrogen phosphate và urea

- Nồng độ của cation kim loại trước và sau khi hấp phụ được xác định bằng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử (Atomic absorption spectrophotometric, AAS)

3 Hóa chất và thiết bị phân tích

Tất cả các hóa chất cần thiết cho các thí nghiệm đều được mua thương mại trên thị trường và sử dụng trực tiếp mà không cần tinh chế thêm (Bảng 2.1)

Bảng 2 1 Danh sách hóa chất được mua và sử dụng trong nghiên cứu này

STT Tên hóa chất, độ tinh khiết/nồng độ Công thức hóa học

1 Diammonium hydrogen phosphate, 95% (NH4)2HPO4

5 Cadmium nitrate tetrahydrate, 97% Cd(NO3)2.4H2O

6 Copper(II) nitrate trihydrate, 98% Cu(NO3)2.3H2O

7 Nickel nitrate hexahydrate, 98% Ni(NO3)2.6H2O

8 Chromium(III) nitrate nonahydrate, 98% Cr(NO3)3.9H2O

9 Iron(III) nitrate nonahydrate, 98% Fe(NO3)3.9H2O

10 Zinc nitrate hexahydrate, 98% Zn(NO3)2.6H2O

11 Lead(II) nitrate, 98% Pb(NO3)2

12 Cobalt(II) nitrate hexahydrate, 98% Co(NO3)2.6H2O

13 Manganese(II) acetate tetrahydrate, 98% Mn(CH3COO)2.4H2O

- Phương pháp XRD được sử dụng để xác định cấu trúc tinh thể vật liệu BC Thiết bị được sử dụng cho phân tích này là máy đo nhiễu xạ Bruker Advance D8 (Bruker AXS,

31 Đức), được trang bị nguồn bức xạ Cu-Kα đơn sắc (λ = 1.5418 Å) Điều kiện hoạt động ở 40 kV và 40 mA, nhiệt độ phòng và phạm vi góc nhiễu xạ 2θ 10 - 75° với tốc độ quét 0,6°/phút và bước quét 0,01°

- Phương pháp FTIR: được sử dụng để phát hiện các nhóm chức hữu cơ trên BC sử dụng thiết bị Alpha II (Bruker, Đức) hoạt động trong dải số sóng từ 4000 đến 400 cm −1 ở bước quét 2 cm −1

- Phân tích TGA được thực hiện trên thiết bị TGA/DSC của Mettler Toledo Trong mỗi thí nghiệm, các mẫu được đặt trong cốc nhôm và được gia nhiệt với tốc độ 5 ℃/phút từ

25 ℃ đến 900 ℃ trong môi trường không khí

- Phân tích AAS được thực hiện trên máy quang phổ hấp thụ nguyên tử chùm tia đơn (DW-AA4530F) ở bước sóng xác định

Thạch dừa được tạo thành thông qua việc sử dụng vi khuẩn Acetobacter Xylinum để lên men nước dừa (8 tháng tuổi) ở tỉnh Bến Tre Môi trường nước dừa nuôi cấy đã chuẩn bị có chứa glucose, acetic acid, các nguyên tố vi lượng và vi khuẩn Acetobacter xylinum lần lượt được thêm vào trước khi lên men hiếu khí ở nhiệt độ phòng Sau 2 tuần, lớp thạch dừa dày 2 cm trên bề mặt được thu lại và rửa sạch acid để lấy mẫu thạch dừa thô [127] Quá trình này được thực hiện tại công ty Vân Nguyên (Bến Tre)

4.2 Tinh chế thạch dừa Đầu tiên, thạch dừa được rửa bằng nước để loại bỏ bụi bẩn và tạp chất trong quá trình vận chuyển Sau đó, thạch dừa được ngâm trong dung dịch sodium hydroxide 1M trong12 giờ trước khi rửa bằng nước cất đến môi trường trung tính Sản phẩm thu được có màu trắng trong, dai, không mùi Cuối cùng, thạch dừa được cắt thành các khối lập phương có kích thước khoảng 1 cm (Hình 2.1) Quy trình chuẩn bị mẫu đã thực hiện được minh họa trong Hình 2.2

Hình 2 1 Nguyên liệu BC trước (hình trái) và sau (hình phải) khi rửa

Sau khi rửa sạch, mẫu được sấy khô ở 120 o C trong 24 giờ, so sánh khối lượng trước và sau khi sấy để xác định hàm lượng BC trong nguyên liệu Để đảm bảo các điều kiện thí nghiệm giống nhau, hàm lượng BC của nguyên liệu phải chiếm 0,8% tổng khối lượng

Hình 2 2 Quy trình chuẩn bị nguyên liệu – BC nguyên chất

4.3 Chuẩn bị bacterial cellulose được phosphoryl hóa (PBC)

Sau bước tinh chế, trộn thạch dừa với nước (tỷ lệ khối lượng BC/nước = 1/1) và dùng máy xay Philips HR1600 (550 W) để xay (Hình 2.3) trong 2 phút tạo thành hỗn hợp thạch dừa phân tán trong nước Áp dụng quy trình tổng hợp điển hình: thêm 5,1g diammonium hydrogen phosphate và 12 g urea vào 125 g hỗn hợp thạch dừa phân tán trong nước và loại bỏ nước ở 60 o C trong 12 giờ Phản ứng phosphoryl hóa xảy ra bằng cách đun nóng toàn bộ hỗn hợp đến 150 o C trong 1 giờ, sau đó rửa kỹ nhiều lần bằng nước cất Cuối cùng, vật liệu được ngâm trong nước đến trạng thái bão hoà (Hình 2.4)

Hình 2 3 Máy xay cầm tay Philips HR1600

4.4 Thí nghiệm hấp phụ Cd(II) trong nước sử dụng vật liệu từ BC Đối với thí nghiệm sử dụng thạch dừa tinh khiết, trộn thạch dừa với nước theo tỉ lệ khối lượng 1:1 và xay bằng máy Philips HR1600 (550 W) trong 2 phút Trong một thí nghiệm hấp phụ điển hình, quá trình hấp phụ được tiến hành bằng cách thêm 10 g hỗn hợp đã được xay vào 10 ml dung dịch Cd(NO3)2 với nồng độ xác định [127] Hỗn hợp này sau đó được khuấy mạnh ở nhiệt độ phòng trong khoảng thời gian xác định trước Dung dịch này sau đó được lọc để loại bỏ phần chất rắn Nồng độ của Cd(II) trước và sau thí nghiệm được xác định bằng phân tích AAS Đối với thí nghiệm sử dụng vật liệu PBC

34 đã được biến tính, hệ phân tán PBC trong nước được chuẩn bị theo tỷ lệ khối lượng PBC/nước = 1/1 Thí nghiệm hấp phụ được tiến hành tương tự như trên bằng cách thêm

10 g hỗn hợp phân tán này vào 10 ml dung dịch Cd(NO3)2

Hình 2 4 Quá trình phosphoryl hóa BC

Công thức xác định khả năng hấp phụ được mô tả như sau:

- Q (mg/g): khả năng hấp phụ của BC hoặc PBC

- C0 (ppm, mg/L) và C (ppm, mg/L): tương ứng với tổng nồng độ Cd trong dung dịch trước và sau hấp phụ

- V (L): tổng thể tích dung dịch

- mcellulose: khối lượng của BC hoặc PBC trong vật liệu Để tìm được phương trình hấp phụ động học phù hợp cho Cd(II) trong nghiên cứu này, hai phương trình động học bậc nhất và bậc hai được áp dụng dựa trên số liệu hấp phụ theo thời gian lần lượt được biểu diễn như sau [128, 129]:

- Qe (mg/g) và Qt (mg/g) : khả năng hấp phụ tương ứng của vật liệu đối với ion kim loại nặng khi đạt trạng thái cân bằng và tại một thời gian t (phút) cho trước

- k1 (1/phút) và k2 (g/(mg.phút)): tương ứng là hằng số cân bằng của phương trình bậc một và bậc hai

Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir dựa trên giả thuyết hấp phụ đơn lớp trên bề mặt các chất hấp phụ, nghĩa là các chất bị hấp phụ hình thành một lớp đơn phân tử và tất cả các tâm hấp phụ trên bề mặt chất hấp phụ có ái lực như nhau đối với chất bị hấp phụ Dạng tuyến tính được biểu diễn phương trình [130]:

- qmom là dung lượng hấp phụ đơn lớp cực đại (mg/g);

- KL là hằng số cân bằng hấp phụ Langmuir (L/mg);

- qe (mg.g -1 ) là dung lượng hấp phụ tại thời điểm cân bằng

- Ce (mg.L -1 ) là nồng độ kim loại tại thời điểm cân bằng

Hóa chất và thiết bị phân tích

Tất cả các hóa chất cần thiết cho các thí nghiệm đều được mua thương mại trên thị trường và sử dụng trực tiếp mà không cần tinh chế thêm (Bảng 2.1)

Bảng 2 1 Danh sách hóa chất được mua và sử dụng trong nghiên cứu này

STT Tên hóa chất, độ tinh khiết/nồng độ Công thức hóa học

1 Diammonium hydrogen phosphate, 95% (NH4)2HPO4

5 Cadmium nitrate tetrahydrate, 97% Cd(NO3)2.4H2O

6 Copper(II) nitrate trihydrate, 98% Cu(NO3)2.3H2O

7 Nickel nitrate hexahydrate, 98% Ni(NO3)2.6H2O

8 Chromium(III) nitrate nonahydrate, 98% Cr(NO3)3.9H2O

9 Iron(III) nitrate nonahydrate, 98% Fe(NO3)3.9H2O

10 Zinc nitrate hexahydrate, 98% Zn(NO3)2.6H2O

11 Lead(II) nitrate, 98% Pb(NO3)2

12 Cobalt(II) nitrate hexahydrate, 98% Co(NO3)2.6H2O

13 Manganese(II) acetate tetrahydrate, 98% Mn(CH3COO)2.4H2O

- Phương pháp XRD được sử dụng để xác định cấu trúc tinh thể vật liệu BC Thiết bị được sử dụng cho phân tích này là máy đo nhiễu xạ Bruker Advance D8 (Bruker AXS,

Quá trình thực nghiệm

Đức), được trang bị nguồn bức xạ Cu-Kα đơn sắc (λ = 1.5418 Å) Điều kiện hoạt động ở 40 kV và 40 mA, nhiệt độ phòng và phạm vi góc nhiễu xạ 2θ 10 - 75° với tốc độ quét 0,6°/phút và bước quét 0,01°

- Phương pháp FTIR: được sử dụng để phát hiện các nhóm chức hữu cơ trên BC sử dụng thiết bị Alpha II (Bruker, Đức) hoạt động trong dải số sóng từ 4000 đến 400 cm −1 ở bước quét 2 cm −1

- Phân tích TGA được thực hiện trên thiết bị TGA/DSC của Mettler Toledo Trong mỗi thí nghiệm, các mẫu được đặt trong cốc nhôm và được gia nhiệt với tốc độ 5 ℃/phút từ

25 ℃ đến 900 ℃ trong môi trường không khí

- Phân tích AAS được thực hiện trên máy quang phổ hấp thụ nguyên tử chùm tia đơn (DW-AA4530F) ở bước sóng xác định

Thạch dừa được tạo thành thông qua việc sử dụng vi khuẩn Acetobacter Xylinum để lên men nước dừa (8 tháng tuổi) ở tỉnh Bến Tre Môi trường nước dừa nuôi cấy đã chuẩn bị có chứa glucose, acetic acid, các nguyên tố vi lượng và vi khuẩn Acetobacter xylinum lần lượt được thêm vào trước khi lên men hiếu khí ở nhiệt độ phòng Sau 2 tuần, lớp thạch dừa dày 2 cm trên bề mặt được thu lại và rửa sạch acid để lấy mẫu thạch dừa thô [127] Quá trình này được thực hiện tại công ty Vân Nguyên (Bến Tre)

4.2 Tinh chế thạch dừa Đầu tiên, thạch dừa được rửa bằng nước để loại bỏ bụi bẩn và tạp chất trong quá trình vận chuyển Sau đó, thạch dừa được ngâm trong dung dịch sodium hydroxide 1M trong12 giờ trước khi rửa bằng nước cất đến môi trường trung tính Sản phẩm thu được có màu trắng trong, dai, không mùi Cuối cùng, thạch dừa được cắt thành các khối lập phương có kích thước khoảng 1 cm (Hình 2.1) Quy trình chuẩn bị mẫu đã thực hiện được minh họa trong Hình 2.2

Hình 2 1 Nguyên liệu BC trước (hình trái) và sau (hình phải) khi rửa

Sau khi rửa sạch, mẫu được sấy khô ở 120 o C trong 24 giờ, so sánh khối lượng trước và sau khi sấy để xác định hàm lượng BC trong nguyên liệu Để đảm bảo các điều kiện thí nghiệm giống nhau, hàm lượng BC của nguyên liệu phải chiếm 0,8% tổng khối lượng

Hình 2 2 Quy trình chuẩn bị nguyên liệu – BC nguyên chất

4.3 Chuẩn bị bacterial cellulose được phosphoryl hóa (PBC)

Sau bước tinh chế, trộn thạch dừa với nước (tỷ lệ khối lượng BC/nước = 1/1) và dùng máy xay Philips HR1600 (550 W) để xay (Hình 2.3) trong 2 phút tạo thành hỗn hợp thạch dừa phân tán trong nước Áp dụng quy trình tổng hợp điển hình: thêm 5,1g diammonium hydrogen phosphate và 12 g urea vào 125 g hỗn hợp thạch dừa phân tán trong nước và loại bỏ nước ở 60 o C trong 12 giờ Phản ứng phosphoryl hóa xảy ra bằng cách đun nóng toàn bộ hỗn hợp đến 150 o C trong 1 giờ, sau đó rửa kỹ nhiều lần bằng nước cất Cuối cùng, vật liệu được ngâm trong nước đến trạng thái bão hoà (Hình 2.4)

Hình 2 3 Máy xay cầm tay Philips HR1600

4.4 Thí nghiệm hấp phụ Cd(II) trong nước sử dụng vật liệu từ BC Đối với thí nghiệm sử dụng thạch dừa tinh khiết, trộn thạch dừa với nước theo tỉ lệ khối lượng 1:1 và xay bằng máy Philips HR1600 (550 W) trong 2 phút Trong một thí nghiệm hấp phụ điển hình, quá trình hấp phụ được tiến hành bằng cách thêm 10 g hỗn hợp đã được xay vào 10 ml dung dịch Cd(NO3)2 với nồng độ xác định [127] Hỗn hợp này sau đó được khuấy mạnh ở nhiệt độ phòng trong khoảng thời gian xác định trước Dung dịch này sau đó được lọc để loại bỏ phần chất rắn Nồng độ của Cd(II) trước và sau thí nghiệm được xác định bằng phân tích AAS Đối với thí nghiệm sử dụng vật liệu PBC

34 đã được biến tính, hệ phân tán PBC trong nước được chuẩn bị theo tỷ lệ khối lượng PBC/nước = 1/1 Thí nghiệm hấp phụ được tiến hành tương tự như trên bằng cách thêm

10 g hỗn hợp phân tán này vào 10 ml dung dịch Cd(NO3)2

Hình 2 4 Quá trình phosphoryl hóa BC

Công thức xác định khả năng hấp phụ được mô tả như sau:

- Q (mg/g): khả năng hấp phụ của BC hoặc PBC

- C0 (ppm, mg/L) và C (ppm, mg/L): tương ứng với tổng nồng độ Cd trong dung dịch trước và sau hấp phụ

- V (L): tổng thể tích dung dịch

- mcellulose: khối lượng của BC hoặc PBC trong vật liệu Để tìm được phương trình hấp phụ động học phù hợp cho Cd(II) trong nghiên cứu này, hai phương trình động học bậc nhất và bậc hai được áp dụng dựa trên số liệu hấp phụ theo thời gian lần lượt được biểu diễn như sau [128, 129]:

- Qe (mg/g) và Qt (mg/g) : khả năng hấp phụ tương ứng của vật liệu đối với ion kim loại nặng khi đạt trạng thái cân bằng và tại một thời gian t (phút) cho trước

- k1 (1/phút) và k2 (g/(mg.phút)): tương ứng là hằng số cân bằng của phương trình bậc một và bậc hai

Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir dựa trên giả thuyết hấp phụ đơn lớp trên bề mặt các chất hấp phụ, nghĩa là các chất bị hấp phụ hình thành một lớp đơn phân tử và tất cả các tâm hấp phụ trên bề mặt chất hấp phụ có ái lực như nhau đối với chất bị hấp phụ Dạng tuyến tính được biểu diễn phương trình [130]:

- qmom là dung lượng hấp phụ đơn lớp cực đại (mg/g);

- KL là hằng số cân bằng hấp phụ Langmuir (L/mg);

- qe (mg.g -1 ) là dung lượng hấp phụ tại thời điểm cân bằng

- Ce (mg.L -1 ) là nồng độ kim loại tại thời điểm cân bằng

Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich dựa trên liên quan thực nghiệm hấp phụ của chất bị hấp phụ trên bề mặt dị thể Phương trình Freundlich dạng tuyến tính được diễn tả qua phương trình [131]:

𝒏⁡⁡ 𝒍𝒏𝑪 𝒆 + ⁡ 𝒍𝒏𝑲 𝑭 ⁡ với KF là hằng số hấp phụ Freundlich và n là một tham số thực nghiệm

Trong nghiên cứu này, các điều kiện hấp phụ và điều kiện biến tính vật liệu đã được thay đổi để khảo sát ảnh hưởng lên khả năng hấp phụ Cd Đối với thí nghiệm hấp phụ sử dụng thạch dừa chứa BC nguyên chất:

- Ảnh hưởng của thời gian hấp phụ: 30 phút, 1 giờ, 2 giờ, 4 giờ và 6 giờ

- Ảnh hưởng của nồng độ Cd ban đầu: 0 đến 300 ppm Đối với thí nghiệm hấp phụ sử dụng PBC:

- Nhiệt độ phosphoryl hóa: 120, 130, 140, 150, và 160 ℃

- Thời gian phosphoryl hóa: 0; 0,5; 1; 1,5 và 2 giờ

- Lượng urea sử dụng: 0; 3; 6; 9 và 12 g

- Thời gian hấp phụ: 0 đến 3 giờ

- Nồng độ Cd(II) ban đầu: 0 đến 600 ppm

- pH dung dịch Cd(II) ban đầu: 2-6

- Cation kim loại khác: Cu(II), Ni(II), Cr(III), Fe(III), Zn(II), Pb(II), Co(II) và Mn(II)

KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

Tổng hợp và ứng dụng vật liệu BC được phosphoryl hóa để hấp phụ cation kim loại nặng

Phosphoryl hóa được xem là một phương pháp biến tính bề mặt cellulose thân thiện môi trường xét từ tác nhân hoá học đơn giản, không độc hại, dung môi thường được sử dụng là nước và điều kiện thực hiện tương đối đơn giản Hơn nữa, vật liệu thu được sau quá trình biến tính đạt được hiệu quả tốt trong hấp phụ ion kim loại nặng trong nước [117, 119] Do đó, phương pháp này đã được lựa chọn để áp dụng đối với bacterial cellulose nhằm cải thiện hiệu quả hấp phụ cation kim loại nặng

2.1 Quá trình phosphoryl hóa BC

Bổ sung các nhóm phosphate vào cellulose làm tăng điện tích âm cho vật liệu từ đó cải thiện khả năng hấp phụ các chất ô nhiễm tích điện dương thông qua tương tác tĩnh điện Dựa theo cấu trúc hóa học của chúng, nhiều dạng khác nhau của nhóm phosphate đã được nghiên cứu và đề xuất [132] Trong Hình 3.6 sản phẩm đầu tiên (i) có nhóm monophosphate có thể hoạt động như acid hai chức với P(VI) nhường 1-2 proton để tạo thành anion, sản phẩm thứ hai (ii) là dạng P bị khử về (III) có thể hoạt động như một acid đơn chức, hoặc dạng đồng phân hoá của nó (iii) là một acid hai chức hoặc phát triển các cấu trúc liên kết ngang với các mạch cellulose khác (iv và v) [133]

Hình 3 6 Cơ chế của quá trình biến tính phosphorylation bề mặt cellulose [133]

Theo nghiên cứu trước đây, sự tổng hợp cellulose phosphate từ phosphoric acid với sự có mặt của urea gồm ba phản ứng chính theo thứ tự: (1) tạo ra ammonia thông qua sự phân hủy urea ở nhiệt độ cao (> 100 o C), (2) hình thành phosphoramidate, đây là chất trung gian từ phản ứng của ammonia với các nguồn phosphate và (3) ghép nhóm

43 phosphate vào cellulose bằng cách chuyển nhóm phosphate từ phosphoramidite sang cellulose thông qua phản ứng ngưng tụ giữa hai nhóm –OH [108] Sản phẩm chính và các sản phẩm phụ thu được sau quá trình phosphorylation cellulose sử dụng phosphoric acid với sự có mặt của urea có thể tham khảo theo Hình 3.7 [134]

Hình 3 7 Phản ứng phosphorylation cellulose sử dụng phosphoric acid với sự có mặt của urea [134]

Từ cơ chế này, có thể thấy rằng urea đóng một vai trò quan trọng trong quá trình phosphoryl hóa cellulose Nhiều nghiên cứu báo cáo vai trò của urea chủ yếu để ngăn sự phân hủy cellulose trong trường hợp có mặt những hợp chất có tính acid như phosphoric acid (H3PO4) hoặc amonium dihydrogen phosphate (NH4H2PO4) bên cạnh đó urea còn hoạt động như chất đệm cho quá trình ngưng tụ xảy ra liên tục [135] Hơn nữa, do quá trình xảy ra ở nhiệt độ cao, dẫn đến sự hình thành liên kết liên mới giữa các lớp sợi trong mạng lưới cellulose kết hợp với việc mất nước, làm cấu trúc xốp của vật liệu giảm đi, do đó việc sử dụng urea làm tăng khả năng xâm nhập của các tác nhân phosphoryl hóa bằng cách duy trì mạng lưới ba chiều của BC Cụ thể, các phân tử urea có các nhóm -NH2 dễ dàng tạo liên kết hydrogen với các nhóm -OH trong BC ngăn cản tạo thành liên kết giữa hai nhóm -OH và có thể xem như khung đỡ tạm thời ngăn cách sự tiếp xúc giữa các sợi/bó sợi BC gây ra hiện tượng sụp cấu trúc [135]

Trong quá trình phosphoryl hóa, phần lớn nước trong hỗn hợp BC, diammonium hydrogen phosphate và urea được loại bỏ ở 60 °C trong 12 giờ, sau đó hỗn hợp này được gia nhiệt nhanh đến khoảng từ 120 đến 160 °C trong 1 giờ để phản ứng xảy ra

(Hình 3.8) Nhìn chung, màu sắc của các mẫu thay đổi từ trắng sang hơi vàng khi nhiệt độ phản ứng tăng Điều này có thể liên quan đến sự thay đổi hóa học của cellulose và urea ở nhiệt độ cao và môi trường không khí Các nhóm chức như -OH, -NH2 có thể bị oxi hóa, phân hủy thành những hợp chất có màu, làm thay đổi màu sắc chung của vật liệu tổng hợp Đặc biệt, hiện tượng carbon hóa đã bắt đầu xảy ra đối với mẫu được nung ở 160 o C với những đốm màu đen xuất hiện không đồng đều trên mẫu Đây cũng là lý do của việc không khảo sát nhiệt độ phosphoryl hóa cao hơn 160 o C trong nghiên cứu này [142]

Hình 3 8 Các mẫu PBC sau quá trình phosphorylation ở các nhiệt độ khác nhau a) 120 o C, b) 130 o C, c) 140 o C, d) 150 o C và e) 160 o C

Sau khi được xử lý nhiệt, sản phẩm PBC được rửa nhiều lần bằng nước cất để loại bỏ các hợp chất vô cơ không phản ứng và các sản phẩm phụ khác Ở giai đoạn này, nhờ sự có mặt của nước, cấu trúc 3D của BC được phục hồi, trở lại dạng hydrogel như thạch dừa ban đầu (Hình 3.9) Cần lưu ý rằng nếu nước được loại bỏ hoàn toàn trong hỗn hợp ở giai đoạn đầu tiên (có thể đạt được bằng việc sấy hỗn hợp ở nhiệt độ > 100 o C) bao gồm cả nước được giữ trong mạng lưới BC của thạch dừa, việc thêm nước ở bước cuối cùng này không thể giúp vật liệu BC trở về trạng thái hydrogel ban đầu Hơn nữa, thông qua quá trình rửa này, cường độ màu vàng của các mẫu được tổng hợp từ 130 o C trở lên cũng giảm đi đáng kể

Hình 3 9 Các mẫu PBC sau khi rửa ở các nhiệt độ khác nhau a) 120 o C, b) 130 oC, c) 140 o C, d) 150 o C và e) 160 o C

2.2 Đặc trưng của bacterial cellulose phosphoryl hóa (PBC)

Như đã trình bày ở trên, một trong những tính chất đáng chú ý của BC là độ tinh thể cao (có thể đạt 84-89%) xấp xỉ so với PC (dao động từ 60-70% trong sợi gỗ) [136, 137] Cấu trúc tinh thể như vậy là do tương tác của liên kết hydro và lực Van der Waals giữa các monomer cellulose gần kề, không lẫn hemicellulose và các tạp chất khác [138] Thực hiện phân tích XRD để kiểm tra sự ảnh hưởng của quá trình phosphoryl hóa đến độ tinh thể của BC (Hình 3.10) Có thể quan sát thấy rằng tất cả các mẫu nghiên cứu đều xuất hiện ba đỉnh đặc trưng ở 2θ= 14,8°, 16,7° và 22,5° tương ứng với các mặt phẳng tinh thể (1̅10), (110) và (200) của cellulose (JCPDS NO 50-2241) [142, 145]

Ngoài ra, hai peak mới xuất hiện ở 30° và 34° được xem là kết quả của xử lý nhiệt trong suốt quá trình tổng hợp Ảnh hưởng này có thể được giải thích bằng cấu trúc 3D ban đầu của BC làm ẩn một số mặt phẳng tinh thể trong cấu trúc (tia nhiễu xạ không tiếp cận được) (Hình 3.11) Thông qua các quá trình xử lý ở nhiệt độ cao hay sử dụng hóa chất, một số liên kết trong mạng BC bị cắt đứt làm lộ ra các mặt phẳng tinh thể này trên kết quả phân tích XRD (tia nhiễu xạ có thể tiếp cận được) (Hình 3.11) Hiện tượng này cũng đã được quan sát trong một nghiên cứu trước đây liên quan đến việc biến tính vật liệu BC [139]

Hình 3 10 Giản đồ XRD của BC và PBC tổng hợp ở các nhiệt độ khác nhau

Hình 3 11 Giản đồ XRD của vật liệu BC sau khi được xử lý nhiệt trong một nghiên cứu trước đây [139]

Sự thành công của phản ứng phosphoryl hóa BC cũng được xác nhận thông qua phân tích FT-IR Hình 3.12 thể hiện phổ FT-IR của BC nguyên chất và PBC được tổng hợp ở các nhiệt độ khác nhau Xét riêng BC nguyên chất, kết quả FT-IR cho thấy các peak đặc trưng của cellulose ở vùng 1030-1170 cm -1 , tương ứng với sự dao động kéo dãn bất đối xứng C–O–C trong liên kết β-(1,4)-glycosidic Các peak khác ở 3340 - 3325 và

1620 cm -1 thuộc về dao động kéo dãn của các nhóm hydroxyl liên phân tử và nội phân tử tạo ra bởi các nhóm hydroxyl trong chuỗi polymer và phân tử nước có trong mẫu [140] Các peak ở 3250, 1200-1400 cm -1 liên quan đến các dao động kéo dãn và uốn cong của nhóm chức C-H trong các đơn vị monomer cellulose [141]

Hình 3 12 Phổ FT-IR của BC và PBC ở các nhiệt độ tổng hợp khác nhau

Các đặc trưng của vật liệu cellulose cũng được quan sát trong phổ FT-IR của vật liệu PBC được tổng hợp Tuy nhiên, các peak trong phạm vi 3200–3600 cm –1 và 1645 cm -1 có cường độ lớn hơn chứng minh sự hình thành của các nhóm OH có tính acid cao hơn trên bề mặt chuỗi polymer sau quá trình phosphoryl hóa [142] Rõ ràng, tất cả các mẫu đều có một peak mới ở 1600 cm -1 , tương ứng với dao động kéo dãn của liên kết C=O Nhóm chức này có thể được hình hành do quá trình oxy hóa các nhóm -OH trên cellulose [130, 143]

Ngoài ra, phổ FT-IR của các vật liệu PBC cho thấy một số peak bổ sung liên quan đến

P, xác nhận việc biến tính thành công cellulose với các nhóm phosphate Cụ thể, các peak tại 1450 và 1660 cm -1 thuộc về dao động kéo dãn của liên kết P=O và P-O-C trong phosphate [144] Một peak khác được quan sát ở 930 cm -1 , được cho là do sự dao động của liên kết P-O-H [133] Có thể quan sát được peak này trong tất cả các mẫu; tuy nhiên, cường độ tín hiệu từ hai mẫu (150 và 160 o C) là lớn nhất, trong khi ba mẫu còn lại không đáng kể, cho thấy quá trình phosphoryl hóa diễn ra tốt hơn ở nhiệt độ cao hơn Kết quả này phù hợp với báo cáo nghiên cứu trước đây của Belosinschi và cộng sự, đã đề xuất rằng nhiệt độ đủ cao để phân hủy urea trong phản ứng là điều kiện cần thiết của quá trình phosphoryl hóa Cũng trong nghiên cứu này, nhóm tác giả cho rằng urea bắt đầu phân hủy ở nhiệt độ 132,5 o C nên quá trình phosphoryl hóa cần được tiến hành ở nhiệt độ cao hơn [108]

Các mẫu PBC đã được phân tích nguyên tố P để đánh giá hiệu quả của quá trình phosphoryl hóa Việc so sánh tỷ lệ phần trăm P của vật liệu trước và sau phản ứng phosphoryl hóa có thể được sử dụng để xác định mức độ phosphoryl hóa (Bảng 3.1) Mẫu BC ban đầu không chứa P trong khi trong các mẫu khác đã xác nhận sự có mặt của phosphor, chứng minh quá trình phosphoryl hóa thành công Đáng chú ý, mẫu PBC ở