BO KHOA HOC VA CONG NGHE VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM
BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI KHOA HỌC CÔNG NGHỆ CẤP BỘ
NĂM 2004
| NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ BUC XA TAO VAT LIEU CO
Trang 210 DANH SÁCH CÁN BỘ THAM GIA ĐỀ TÀI , Trần Minh Quỳnh Nguyễn Văn Bính Nguyễn Văn Toàn Nguyễn Thuý Bình Nguyễn Mạnh Hùng Đặng Thị Cẩm Hà Nghiêm Ngọc Minh Nguyễn Thi Dé Mai Anh Tuấn Phạm Văn Vương Th.S., NCV CN, NCV Th.S., NCV CN., NCV CN., NCV TS., NCVC TS., NCV CN., NCV CN., NCV KS., NCV Trung tam Chiéu xa, Viện KH&KTHN Trung tâm Chiếu xạ, Viện KH&KTHN Trung tam ATBX&MT, Viện KH&KTHN Trung tâm ATBX&MT, Viện KH&KTHN Phòng KH&HTQT, Viện KH&KTHN
Trang 3MUC LUC Bảng các từ viết tắt, ký hiệu và các thuật ngữ 4 Tóm tắt (tiếng Việt) 5 Tóm tất (tiếng Anh) 6 Mở đầu 7 Tổng quan tài liệu 10 Phần thực nghiệm 16 Vật liệu 16 Clế tạo vật liệu carbornethyl chỉitosan (CMCT) và tính bột khâu mạch 16 bằng chiếu xạ gamma
Xác định phần gel (g) và mức trương nước (S) của vật liệu sau chiếu xạ 17 Xác định dung lượng hấp thụ thuốc nhuộm phenol đỏ (RP) của vật 17 liệu khân mạch
Kỹ thuật nhân giống và xác định khả năng phân huỷ phenol của vi 18 khuẩn Pseudomonas putida (P putida)
Xác định khả năng cố định vi khuẩn P putida trên giá thể tỉnh bột 18
khâu mạch
Kết quả và tháo luận 20
Khả năng khâu mạch, mức trương nước của CMCT và tỉnh bột sắn 20
khâu mạch Dung lượng hấp thụ thuốc nhuộm phenol đỏ (RP) của tinh
bột sắn khâu mạch
Khả năng khâu mạch của CMCT và tỉnh bột sắn dưới tác dụng của 20
bức xạ tia gamma
Mức trương nước của vật CMCT và tỉnh bột khâu mạch 21 Cân bằng hấp thụ thuốc nhuộm phenol đỏ (RP) trên tỉnh bột khâu — 22 mạch Động học quá trình hấp thụ thuốc nhuộm phenol đỏ (RP) trên tỉnh 2s bột khâu mạch Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình hấp thụ thuéc nhu6m phenol 28 đỏ trên tính bột khâu mạch Phân lập, tuyển chọn và nghiên cứu khả năng phân huỷ phenol củavi 3 khudn P putida Kha nang cé dinh P putida trén giá thể tỉnh bột khâu mạch 34 Kết hận 36
Tài liệu tham khảo 37
Phu luc I Các kết quả thực nghiệm của Đề tài 43
Phụ lục II Quyết định số 1140/QĐ-BKHCN của Bộ trưởng Bộ KH&CN s0
v/v phê duyệt để tài cấp Bộ của Viện NLNTVN năm 2004
Trang 4BANG CAC TUVIET TAT, KÝ HIỆU VÀ CÁC THUẬT NGỮ
CMC: Carboxymcthyl cellulose
CMCT: Carboxymethyl chitosan
pph: phần trong 100 phần vật liệu chủ (part per hundred of main resin) PVA: Polyvinyl alcahol
PEO: Polyethylene oxide TB: Tinh bot
Trang 5NGHIÊN CỨU ÁP DỰNG CÔNG NGHỆ BỨC XẠ TẠO VẬT LIỆU cé ĐỊNH VI SINH VẬT CÓ KHẢ NĂNG PHÂN GIẢI MỘT SỐ CHẤT GÂY
Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG
TÓM TẮT
Carboxymethyl chỉtosan (CMCT) và tỉnh bột sắn (TB) cùng một số phu gia nhu polyethylene oxit (PEO), polyvinyl alcohol (PVA) va borac, véi tỷ lệ thích hợp, trong dưng dịch nước được chiếu xạ với liều chiếu phù hợp
để tạo vật liệu polymer tự nhiên khâu mạch có tính trương nước, hấp phụ thuốc nhuộm và có thể sử dụng như giá thể cố định vi sinh vật trong xử lý
môi trường bằng công nghệ sinh học Sự phụ thuộc giữa độ trương nước của vật liệu và liều chiếu đã được nghiên cứu và kết quả cho thấy, đối với tình
bột với công thức phù hợp, liểu chiếu 5 kGy (suất liêu 0.3 kGy/h) là đủ để
tạo được vật liệu TB khâu mạch có độ trương nước phù hợp như một chất hấp thụ thuốc nhuộm Mức khâu mạch của tỉnh bột với liêu chiếu 5 kGy đã được xác định bằng phương pháp chiết với nước và giá trị này đạt 48,6%, mức
trương nước đạt 70 Dung lượng hấp phụ phenol đỏ (RP) trên tỉnh bột khâu
mạch đạt 550 mg/kg Các thông số về động học cũng như nhiệt động học
như nhiệt lượng tự do Gipss (AG'), enthalpy (AH®), entropy (AS°) của quá
trình hấp phụ RP từ dung dịch nước đã được nghiên cứu và tính toán Các kết quả tính toán cho thấy quá trình hấp phụ RP là quá trình toả nhiệt vì AH9<0 xảy ra tức thời (spontaneous) vì AG°<0
Chủng vi sinh vật Pseudomonas putida đã được tuyển chọn, phân lập
từ môi trường 6 nhiễm phenol được nhân chủng trong điều kiện phòng thí nghiệm và chúng được thử nghiệm khả năng phân huỷ phcnol P pưiida có
khả năng chịu đựng và phát triển trong môi trường nước có hàm lượng phenol lén dén 940 mg/l Sau 3 ngày nuôi cấy trong điều kiện phòng thí
nghiệm, vi khuẩn P pwida với mật độ 10” tế bào/mÍ có khả năng làm giảm (phân huỷ) phenol từ hàm lượng ban đầu là 564 mg/1 xuống 5 mgíl
Do vật liệu khâu mạch có cấu trúc không gian ba chiều, diện tích bể rnặt riêng lớn và có mức fĩnh điện cao nên nó được sử dựng làm giá thể cố định vi khuẩn P putida mé ra triển vọng ứng dụng như một chế phẩm vi sinh
vật phân huỷ một số ô nhiễm hữu cơ như phenol trong xử lý môi trường 0.3
g TB khâu mạch khô có khả năng cố định được 56% quần thể ví khuẩn P puiida trong dịch nước có mật độ 10 tế bào/ml Tuy nhiên, để giá thể có
được khả năng cố định cao hơn, tức là tăng hơn nữa hiệu quả xử lý môi
trường ô nhiễm phenol nếu dùng chế phẩm TB khâu mạch cố định P pưưida,
Trang 6GAMMA-RAY RADIATION INDUCED CROSSLINKING OF CARBOXYMETHYL CHITOSAN AND CASSAVA STARCH
TO MAKE MATERIALS SUITED FOR IMMOBILIZATION OF
MICROORGANISMS CAPABLE OF DEGRADATION OF ORGANIC POLLUTANT
ABSTRACT
Aqueous mixtures of carboxymethyl chitosan (CMCT) and cassava starch (TB) with additives such as polyethylene oxide (PEO), polyvinyl alcohol (PVA)
and Na;B,O;.10H;O with an appropriate proportion have been irradiated at an appropriate dose on a Co-60 irradiator to make respective crossliked materials that could swell and adsorb dyes, on the one hand, and could be used as a carrier to immobilize microorganism/fungi for biological treatment of water waste containing dyes and organic pollutant, on the other hand The dependence of crossliking density and radiation doses was evaluated and it revealed that under the selected conditions, 5 kGy (dose rate of 0.3 kGy/h) could be chosen as an optimum dose to have crosslinked starch with a good capacity of swelling and dye adsorption Gel fraction of crosslinked starch at 5 kGy was found to be 48.6% and swelling degree was 70 Adsorption capacity of red phenol (RP) onto the crosslinked starch reached 550 mg/kg Dynamic as well as thermodynamic
parameters like rate constant, Gipss free adsorption energy (AG°), enthalpy (AH®)
and entropy (AS’) of RP dye’s adsorption of from aqueous solution onto crosslinked starch has been calculated based on the experimental results obtained
It was shown that the adsorption occurs simultneously as AG° <0 and exothermal as AH® <0
Pseudomonas putida (P putida) has been isolated from an environment
contaminated with phenol and it has been multiplied and it has been examined to degrade phenol under the laboratory condition P putida could survive and
develop in a media containing phenol of up to 940 mg/I concentration After 3 days
of incubation, P putida population of a density of 10'? cells/ml could reduce phenol concentration in a media from initial 564 mg/ down to 5 mg/l
Due to the threedimentional structure formed as the result of crosslinking under irradiation, crossliked starch possesses large specific surface Additionally,
as the result of the conversion of metoxyl (-CH,-OH) functional groups of starch
into -CH,-O'Na’ in alkaline solution, on the surface of the material strong electro- static forces could be developed Both of the mentioned effects makes starch crosslinked material to be a suited carrier to immobilize P putida for treatment of waterwaste contaminated with organic pollutant like phenol 0.3 g of crosslinked starch could immobilize up to 56% cells of P putida in a media containing the
microorganism with a density of 10"? cell/ml However, the immobilization
capacity of the material should be improved further to have an inoculant of higher
Trang 7MỞ ĐẦU
Công nghệ bức xạ đã được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất và biến
tính vật liệu, đặc biệt là trong lĩnh vực vật liệu polymer Công nghệ bức xạ được áp dụng để polymer hoá các monomer không cần các phụ gia độc hại và chiếm nhiều diện tích nhà xưởng Nó được áp dụng để tạo các vật liệu mới có những tính chất rất đặc biệt, ví dụ vật liệu polymer khâu mạch, có trí nhớ,
được sử dụng nhiều trong các ngành công nghiệp điện tử, ô tô, máy bay và trong vũ trụ Dựa trên hiệu ứng khâu mạch của polymer, gần đây các nhà
công nghệ bức xạ đã chế tạo được những vật liệu có độ trương nước rất lớn, tự phân huỷ trong môi trường từ các polyssacharide Ứng dụng của loại vật
liệu này rất đa dạng mà trong đó hấp phụ màu để xử lý môi trường ô nhiễm
thuốc nhuộm là một điển hình Các nhà công nghệ bức xạ cũng đã thành
công trong việc ghép vật liệu polymer với nhóm chức amine tao hydrogel
làm vật Hệu trong bảo vệ vết thương bỏng Trong công nghiệp được các loại vật liệu biến tính bức xạ ghép các nhóm chức khác nhau được sử dụng làm giá thể cho một số loại thuốc cần kiểm soát tốc độ nhả thuốc (pharmaceutics controlled release) Có nhiều nghiên cứu đề cập đến ứng dựng công nghệ bức xạ khâu mạch để tạo vật liệu có khả năng cố định các chủng vi sinh vật chuyển hoá dược chất (từ hydrocortisole chuyén sang prednisolone bing
Bacillus pumilus E601) hoặc phân giải các chất ô nhiễm hữu cơ như phenol Đặc biệt polymer tự nhiên được nghiên cứu nhiều để chế tạo vật liệu hấp
phụ màu trong xử lý nước thải ô nhiễm thuốc nhuộm từ các nhà máy dét-
nhuộm
Ở Việt nam, đã có một số công trình nghiên cứu áp dụng công nghệ
bức xạ tạo vật liệu hydrogel từ polymer tự nhiên như ccllulose, chitosan và ứng dụng chúng như vật liệu siêu hấp thụ nước hoặc làm vật liệu phủ vết
thương bỏng Đã có ý tưởng sử dựng vật liệu chỉtosan khâu mạch trong xử lý nước thải từ các nhà máy sản xuất hải sản đông lạnh hoặc xí nghiệp chế biến cao su latex chứa nhiều protein Những công trình nghiên cứu này tập trung ở TP Hồ Chí Minh và Đà Lạt
Ở miên Bắc cũng đã có những công trình nghiên cứu ứng dựng
chitosan lam phụ gia trong thức ăn nuôi tôm cũng như áp dụng công nghệ
sinh học để phân huỷ cặn dầu trên các bãi biển, hoặc hấm chứa dầu hoặc phân huỷ PAH, cellulose Giá thể dùng cố định vi sinh vật được sử đụng là than hoạt tính hoặc “đá xốp”
Có thể nhận thấy rằng hiệu quả xử lý môi trường bằng công nghệ sinh học phụ thuộc vào mật độ vi sinh vật trên giá thể Các công trình nghiên cứu
Trang 8này là điện tích bề mặt riêng của than hoạt tính không lớn và một nguyên
nhân khác là than hoạt tính không có những nhóm chức cân thiết như methylcarboxyl -CH;COO, hoặc amine -NH; để có thể gây những hiệu ứng
c6 dinh bé sung (additional immobilization)
Khâu mạch là tạo cấu trúc không gian ba chiều trong polymer và cấu
trúc này cho phép làm tăng đáng kể điện tích riêng bề mặt Như vậy, vật liệu
khâu mạch có triển vọng được sử dụng như vật liệu thích hợp trong cố định vi sinh vật phân giải ô nhiễm hữu cơ trong nước thải Loại vật liệu này có ưu
điểm nổi trội so với các loại vật liệu hấp phụ khác ở chỗ nó được chế tạo từ
polysaccharide tự nhiên nên có khả năng tự phân huỷ trong môi trường
Mục tiêu của Đề tài này là áp dụng công nghệ bức xạ để tạo vật liệu
polymer khâu mạch từ các polymer tự nhiên bản chất polyssacharide như chitosan và tính bột Vật liệu polymer tự nhiên khâu mạch này có khả năng
hấp phụ thuốc nhuộm hoặc cố định vi sinh vật phân giải một số chất hữu cơ gây ô nhiễm môi trường nước mà cụ thể đối tượng của nghiên cứu này là
phenol
Các nội dung nghiên cứu bao gồm:
1 Tìm điều kiện và công thức để tạo chitosan và tỉnh bột khâu mạch bằng chiếu xạ tỉa gamma, đáp ứng mục tiêu trên,
2 Nghiên cứu động học và nhiệt động học quá trình hấp phụ thuốc
nhuộm phenoi đỏ (RP) trên một trong các vật liệu khâu mạch tạo ra làm ví dụ về khả năng ứng dụng loại vật liệu này làm chất hấp phụ thuốc nhuộm trong xử lý nước thải từ nhà máy dệt-nhuộm có sử đụng RP, 3 Phân lập và nhân chủng vì sinh vật phân giải phenol từ môi trường 6 nhiễm phenol, 4 Nghiên cứu khả năng chịu đựng và mức độ phân huỷ phcnol của chủng vi sinh vật đã tuyển chọn,
5 Thử nghiệm khả năng cố định chủng vi sinh vật này trên giá thể
polymer tự nhiên khâu mạch tạo ra
Ý nghĩa khoa học của Đề tài là đã nghiên cứu sâu về nhiệt động học và cơ
chế quá trình hấp phụ màu từ dung dịch của vật liệu Trên cơ sở các kết quả thực nghiệm về động học và cân bằng học đã tính được những thông số nhiệt
động học cơ bản như năng lượng hấp phụ tự do Gipss (AG?), enthalpy (AH?) và cntropy (AS”) của quá trình hấp phụ
Ý nghĩa thực tiễn của Đề tài là các kết quả thu được sẽ là cơ sở cho những
nghiên cứu tiếp theo nhằm sản xuất được chế phẩm từ polymer tự nhiên dễ
phân huỷ trong môi trường làm vật liệu hấp phụ màu hoặc làm giá thể cố
Trang 9cơ khác Chế phẩm này sẽ được áp dựng để xử lý môi trường nước chứa các ô nhiễm kể trên
Đề tài được triển khai tại Viện Khoa học và kỹ thuật hạt nhân (Trung tâm Chiếu xạ và Trung tâm An toàn bức xạ và Môi trường) với sự hợp tác của Phòng Công nghệ sinh học, Viện CN SH của Viện KH&CN Việt nam Các
ảnh SEM được chụp tại Viện 69, Bộ Tư lệnh Lăng, Bộ QP và Phòng Hiển vi
điện tử, Viện Kỹ thuật nhiệt đới (Viện KH&CN Việt nam)
Thời gian thực hiện để tài là 1 năm (2004); Hợp đồng chính thức được ký
ngày 27/7/2004
Kinh phí được cấp là 100 (một trăm) triệu đồng từ nguồn Kinh phí Sự nghiệp khoa học của nhà nước Phần kinh phí này được dành 10 triệu đồng (10%) làm quỹ tiết kiệm theo quy định Kinh phí thực tế của đề tài là 90 triệu đồng
Các khoản chỉ được phê duyệt như sau:
1 Th khốn chun mơn: 28,5 tr
2 Nguyên-vật liệu, năng lượng: 32,2 tr 3 Thiết bị, máy móc chuyên dùng: 11,0 tr
Trang 10Phdn 1 TONG QUAN TAI LIEU
Công nghệ bức xạ là đùng năng lượng của bức xạ, kể cả bức xạ ion
hoá và bức xạ không ion hoá, để thúc đẩy các phản ứng hoá học tạo vật liệu mới đáp ứng những yêu cầu cụ thể trong thực tế hoặc làm biến đổi các tính chất hoá học, vật lý, cơ-lý của vật liệu Công nghệ bức xạ được sử dụng lần đâu tiên với mục đích tạo ra các sản phẩm mới bằng cách sử dụng năng
lượng của bức xạ ion hoá để gây ra trong lòng khối vật chất những phản ứng
hoá học theo ý muốn mà không cần bổ sung bất kỳ một tác nhân nào khác và
phản ứng này được gọi là phản ứng hoá bức xạ Các nhà hoá học Liên Xô cũ đã áp dụng loại hình phản ứng hoá bức xạ để thay thế những phản ứng kinh điển trong tổng hợp các hợp chất mạch vòng thường tốn nhiều năng lượng cũng như tiêu hao nhiều hoá chất đầu vao [1, 2] Sau này, phản ứng hoá bức xạ được sử đụng nhiều để biến tính vật Hệu [3-7] Nhu cầu thực tế cho thấy, nhiều loại vật liệu dùng cho các mục đích khác nhau đòi hỏi phải có những tính chất đặc biệt khác nhau và các tính chất đó có thể được tạo ra từ một loại vật liệu sẵn có rôi xử lý bằng bức xạ Biến tính vật liệu bằng công nghệ bức xạ dựa trên cơ sở các phản ứng hoá học giữa các phân tử vật liệu xảy ra dưới tác dụng của năng lượng bức xạ, thường là bức xạ tia gamma từ nguồn Co- 60, Cs-137 hoặc từ máy phát bức xạ chùm điện tử (EB) được gia tốc đến năng lượng đủ cao để tạo ra trong môi trường vật chất những tác nhân khơi mào cho các phản ứng hoá học theo mong muốn nhưng cũng chưa có khả năng kích hoạt các nguyên tử hợp phần của vật liệu Tác nhân khơi mào thường ở dạng các gốc tự do (radicai) và thậm chí cả ion có hoạt tính hoá
học rất cao sẵn sàng tham gia vào các phản ứng hoá học với nhau hoặc tao
tiếp các gốc tự do/ion thứ cấp có khả năng tương tác với các phần tử vật chất gần kề với chúng
Phản ứng hoá bức xạ có thể xảy ra trong tất cả các môi trường vật chất
với tốc độ khác nhau Trong môi trường lỏng, có nước, xác suất tạo phản ứng hoá bức xạ giữa các phân tử là lớn nhất vì phân tử nước rất đễ bị phân ly bức xạ (radiolyse) tạo các gốc tự do H' và 'OH là sản phẩm phân ly bức xa sơ cấp rất linh động Các gốc tự do này là tác nhân khơi mào cho quá trình tạo các sản phẩm phân ly bức xạ thứ cấp từ các phân tử vật chất có mặt trong môi trường nước Vì trong môi trường lỏng các sản phẩm phân ly bức xạ có mức lính động cao làm cho tốc độ phản ứng hoá bức xạ cũng cao Trong môi
trường đông đặc, ví dụ polyme, phản ứng hoá bức xạ vẫn xấy ra, nhưng tốc
độ phản ứng hoá bức xạ thường chậm hơn so với phản ứng đó trong môi
trường nước vì trong môi trường đông đặc các sản phẩm phân ly hoá bức xạ có độ hình động thấp
Trang 11(cross-linking) [8-10] Tuy nhiên, tốc độ của từng quá trình là khác nhau va
như vậy, ta có hai loại vật liệu polyme (chia theo mức nhạy cảm đối với bức xạ ion hoá) đó là loại thiên về gẫy mạch và loại thiên về khâu mạch [3]
Thông thường polyme mạch thắng (PE), hoặc có các đơn vị mạch vòng
(polysterol) là polyme thiên vẻ khâu mạch còn loại polyme có thêm nhánh trong đơn vị lặp hoặc có thêm các nguyên tử khác carbon và hydro thường là loại thiên về gẫy mạch, ví dụ PP hoặc PVC Khâu mạch trong polyme có nghĩa là từ polyme gốc đã tạo ra một cấu trúc mới, đó là mạng cấu trúc
không gian ba chiều, có những tính chất cơ-lý rất đặc biệt mà polyme thường
không có được Polyme khâu mạch có tính chất cơ lý-hoá tốt hơn rất nhiều so với polyme thong thudng Vi du: modul déo (elastic modul) cha PE khau
mạch được tăng cường thường gấp đôi so với PE thường, khi mức khâu mạch khoảng 50-60%, PE khâu mạch không tan trong các dung môi, nhiệt độ cháy
của PE khâu mạch cao gấp 1,2 lần so với PE không khâu mạch [8] Đặc biệt,
loại vật liệu này còn có khả năng nhớ lại kích thước ban đâu của mình khi bị biến dạng và được giữ lại hình dạng đó dưới tác động của nhiệt độ (làm lạnh) Đây là vật liệu co nhiệt được sử dụng rất rộng rãi và có hiệu quả kinh
tế trong nhiều lĩnh vực, như điện tử, ô tô, vũ trụ, v.v
Trên cơ sở hiệu ứng khâu mạch bức xạ, các nhà khoa học và công
nghệ đã tạo ra nhiều loại vật liệu mới đủ bên nhưng không sử dụng cơng nghệ hố học đơn thuần thường gây 6 nhiễm đối với môi trường, hoặc đòi
hỏi phải có diện tích mặt bằng rộng để triển khai Công nghệ lưu hoá cao su
là một ví dụ điển hình Latex được phối trộn với các phụ gia cần thiết trong bình phản ứng và bơm tuần hoàn với một lưu tốc nhất định theo đường ống vào khu vực gần nguồn bức xa, ví dụ nguồn đồng vị “Co Bức xạ garma đã khâu mạch (lưu hoá) latex trong một không gian nhỏ, đồng thời không thải ra mơi trường những ư nhiễm thường thấy trong công nghệ lưu hoá kinh điển Từ thời xa xưa, khi công nghiệp cao su mới hình thành, các nhà hoá hoc da sit dung cao su latex cùng với lưu huỳnh (S) để khâu mạch nhằm tăng cường tính chất cơ lý của cao su Khái niệm “lưu hoá” bất nguồn từ việc phải dùng lưu huỳnh trong cơng nghệ này Lưu hố đã mang lại những bước tiến quan trọng trong công nghiệp ô tô, cụ thể là sản xuất ra săm lốp có độ bên đủ lớn cho các phương tiện giao thông dùng động cơ có công suất khác nhau Tuy nhiên, người ta đã chứng minh được rằng, lưu hoá theo công nghệ kinh điển đã thải ra khí quyển hàng ngàn tấn khí SO, mỗi năm, gây hiện tượng
mưa axit huỷ điệt nhiều hecta rừng tự nhiên ở nhiều nước trên thế giới Người ta ước tính được rằng một nhà máy lưu hoá cao su công suất 1.000.000 sản phẩm lốp ô tô trọng tải 10 tấn trong một năm, hàng năm thải vào khí quyển 1.000 tấn SO; [3] Đồng thời, điện tích cho sản xuất của nhà
Trang 12Có thể nhận thấy công nghệ bức xạ có nhiều mặt thân thiện với môi trường và mang lại hiệu quả kinh tế cao
Thực tế cho thấy, hàng ngày cơng nghiệp sản xuất hố chất cơ bản
phục vụ các loại hình công nghiệp sản xuất hàng công nghiệp khác cũng như
sản xuất hàng tiêu dùng như giấy, thuộc đa, may mặc, đường v.v đã thải ra môi trường rất nhiều các hoá chất độc hại như khí gây mưa axit: NOx, SOx, chất nhuộm màu, các hợp chất nhớm phenol, lignin Các chất thải này thường có mùi hôi thối, hoặc làm cho nguồn nước có độ đục cao hơn giới hạn cho phép dẫn đến làm hạn chế quang hợp của các loài thuỷ sinh mà hậu quả là môi trường nước ở các khu vực lân cận bị xâm hại nặng nề Các nhà môi trường học đang cố gắng giải quyết những vấn đề liên quan đến xử lý môi trường của các khu công nghiệp đã nêu Các loại hình công nghệ xử lý môi trường được áp dụng bao gồm phương pháp vật lý, phương pháp hoá học, phương pháp sinh học và kết hợp cả ba loại hình công nghệ trên
Công nghệ hoá học là dùng các hoá chất thích hợp cho tác dụng với chất thải để cải thiện môi trường khu vực xung quanh bãi thải Ví dụ: trong
công nghiệp giấy, thải lỏng thường có độ kiểm rất cao vì kiểm được đùng
nhiều trong khâu làm trắng giấy Để trung hoà kiểm người ta thường dùng
axit HCI Như vậy, sau quá trình xử lý kiểm, môi trường nước đã lại ô nhiễm các muối clorua Tuy nhiên, mức độ độc hại của clorua thấp hơn so với kiểm Cũng trong công nghiệp giấy, nước thải thường có độ đục cao vì thành phần cellulose trong nước không được tận thu triệt để Độ đục có ảnh hưởng rất lớn đến khả năng quang hợp của các loại tảo trong môi trường nước mà các
loại tảo này, một mặt là thức ăn cho các loài thuỷ sinh khác trong chu trình
thức ăn tự nhiên, mặt khác chúng cũng tham gia vào làm sạch nguồn nước theo bản năng tự nhiên của chúng Nếu tảo không quang hợp được chúng sẽ bị diệt vong và như vậy các loại thuỷ sinh khác cũng sẽ bị diệt vong theo và
nguồn nước sẽ không được làm sạch tự nhiên Để đảm bảo độ đục ở mức cần
thiết cho môi trường nước, nước thải từ nhà máy giấy phải được làm sạch khỏi các hợp chất lơ lửng bằng các tác nhân đông tụ (coaguiam), thường là các hợp chất photphát Tuy nhiên, photphát trong môi trường sẽ gây hiện
tượng phú dudng (eutrophication), tic 1a các loài tảo lại có điều kiện để phát triển nhanh, trong đó có cả những loài tảo độc và như vậy, lại có nguy cơ gây
mất cân bằng sinh thái Công nghiệp may mặc đòi hỏi phải có những loại vải
màu sắc đa đạng đáp ứng mọợi sở thích của người tiêu dùng Công nghệ nhuộm hấp vải kéo theo nhiều lo lắng về ô nhiễm màu đối với môi trường
Trang 13trong hướng xử lý môi trường bằng công nghệ sinh học kết hợp với các loại
hình cơng nghệ hố học, vật lý kể trên Ở Việt nam, một số nghiên cứu áp
dụng công nghệ sinh học đã được tiến hành để xử lý nước thải nhà máy giấy, hoặc xử lý Polycyclic Aromatic Hydrocarbon (PAHs) bằng chủng vi sinh vật MXL.9 phân lập từ cặn dâu thô của mỏ Bạch Hồ, Vũng Tâu{ 11]
Đã có nhiều nghiên cứu áp dụng công nghệ bức xạ để khâu mạch
polysaccharide tự nhiên tạo giá thể (carrier) c& dinh vi sinh vat có khả năng
phân huỷ 6 nhiễm trong môi trường [12-13] Kỹ thuật cố định
(immobilization) c4c ching vi sinh vat lên giá thể là nhằm tập trung mật độ vi sinh vat trên một diện tích/thể tích nhất định để tăng tốc độ phân huỷ ô
nhiễm làm cho quá trình xử lý môi trường có hiệu quả cao nhất Đồng thời,
chúng có thể được tái sử đụng nhiều lần nhờ bản tính dễ lọc và tách vi sinh
vật khỏi môi trường đã được xử lý Theo ý kiến của Nguyễn Trọng Quang và cộng sự [14], nguyên lý của phương pháp cố định các đại phân tử sinh học (bio-macromolecules) lên giá thể là tạo trên bề mặt giá thể những tâm mang
điện tích (dương hoặc âm) và sau đó lợi dụng lực tương tác fĩnh điện giữa phân tử sinh học mang điện tích trái dấu với điện tích bề mặt giá thể để gắn
kết phân tử sinh học với bề mặt vật liệu
Có hai phương pháp tạo giá thể cố định vi sinh vật trên cơ sở vật liệu
polymer, đó là ¡) phương pháp biến tính các loại vật liệu sắn có trong tự nhiên và ii) phương pháp tổng hợp polymer từ các monomer nhân tạo Hiện
nay, phương pháp thứ nhất đang được sử dụng khá phổ biến, vì bản chất của nó là thân thiện với môi trường
Các nhà hoá bức xạ Ấn Độ và Nhật bản [15-18] đã có nhiều thành
công trong việc sử dụng các polysaccharide tự nhiên để chế tạo các loại hydrogel có tính trương nước cao, dưng lượng hấp phụ cũng như cố định vị
sinh vật lớn Các chế phẩm polysaccharide đã biến tính được sử dụng rộng
rãi không những trong xử lý môi trường như vật liệu hấp phụ mà chúng còn
được dùng nhiều trong y tế làm giá thể cho các chế phẩm dược có khả năng kiểm soát tốc độ nha dugc chat (pharmaceutics control release) có hiệu quả
kinh tế rất cao (xem cụ thể trong [19]) Polysaccharide được sản xuất từ vỏ
các loại giáp xác như cua, tôm trong công nghiệp thực phẩm (thuỷ sản) [20]
Không những vậy, tình bột, cellulose cũng được biến tính để phục vụ các mục đích kể trên
Các dẫn suất polysaccharides sau khi được khâu mạch có tính chất dễ hấp phụ nước và các chất khác do cấu trúc đặc biệt của chúng Cấu trúc này đảm bảo trong đại phân tử có những lỗ trống hoặc các nhóm chức đễ tạo các tâm điện tích (dương hoặc âm) có khả năng cố định (bắt giữ) các vi sinh vật hoac enzyme ma trong đại phân tử của chúng cũng có các tâm điện tích trái dấu Các chủng vi sinh vậi/enzyme này có khả năng phân huỷ hay nói cách
Trang 14Ngoài polysaccharide khau mach, nhiéu vat liéu polymer téng hop
cũng đã được sử dụng để cố định vi sinh vật phân huỷ ô nhiễm hữu cơ trong
môi trường, ví dụ phenol Godkevargova và cộng sự [21] đã dùng
polyacrylonitrile (mon) biến tính hoá học làm vật liệu cố định Trichosporon
cutaneum R57 đề tăng cường khả năng phân huỷ phenol của loại vi khuẩn
này Nguyễn Trọng Quang [14] và cộng sự đã nghiên cứu khả năng cố định
một số loại enzyrnc như glucose-oxidase, glucose-amylase trên cellulose
Trong xử lý môi trường nước ô nhiễm màu từ các nhà máy nhuộm,
chitosan, celiulose được biến tính tạo các hydrogel giữ nước và hấp phụ
thuốc nhuộm [22] Kaplan Can và các cộng sự [22] đã nghiên cứu dùng vật
liệu hydrogel chế tạo từ poly(N-vinyl-2-pyrroHdone) và poly(N-vinyl-2-
pytrolidone)/K,S,O, khau mach bức xạ làm vật liệu hấp phụ thuốc nhuộm
xanh cibacron, methyl vang va dé Congo từ nước thải nhà máy nhuộm hấp ở Thổ nhĩ kỳ Theo ý kiến của các tác giả công trình [22] thì tác nhân persulphate là chất khơi mào tốt (tạo các sản phẩm phân ly bức xạ) để
polymer hod monomer dang vinyl, (N-vinyl-2-pyrrolidone), trong phan ứng khâu mạch bức xạ Ở Việt nam đã có một số nghiên cứu tạo vật liệu
hydrogel từ polymer tổng hợp và polysaccharide có nguồn gốc khác nhau Hydrogel chế tạo từ PVA, từ chíosan đã được nghiên cứu làm vật liệu hấp
thụ nước và được dùng làm màng điều trị vết thương bỏng rất có hiệu quả
[23-24]
Các tính chất vật lý, cơ-lý cũng như động học và nhiệt động học của các quá trình hấp thụ đã được nghiên cứu Vật liệu hydrogel được tạo ra do
quá trình khâu mạch chỉtosan, cellulose dạng bột nhão với nước cùng một số phụ gia với hàm lượng nhất định trong môi trường có độ pH nhất định và với liêu chiếu nhất định Yoshii và các cộng sự đã có nhiều nghiên cứu trong lĩnh
vực biến tính chitosan va cellulose dé chế tạo hydrogel có tính chất hấp phụ
rất ưu việt [17, 18] Chiou và L¡ [25] đã chỉ ra ring chitosan khau mach có khả năng hấp phụ loại thuốc nhuộm bản chất kiểm cao hơn nhiều so với
chitosan không khâu mạch Nguyên nhân là nhóm amine (-NH;) trong phân
tit chitosan đễ bị proton hoá bởi axit môi trường và là tâm hấp phụ đối với
thuốc nhuộm kiểm Các tác giả đã nghiên cứu rất tỷ mỷ cân bằng của quá
trình hấp phụ thuốc nhuộm lên chitosan khâu mạch Họ cho rằng quá trình hấp phụ tuân theo quy luật phản ứng bậc hai và quá trình hấp phụ xảy ra trên bề mặt chất hấp phụ do các tương tác tĩnh điện giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ Do đó, phương trình mô tả quá trình hấp phụ là phương trình Langmuir Dung lượng hấp phụ của chitosan khâu mạch có thể đạt mức 1800 g/kg chất hấp phụ và dung lượng hấp phụ ban đâu phụ thuộc vào nồng độ ban đầu của chất ô nhiễm
Trang 15huỷ trong môi trường Mặt khác, các giá thể polyme tự nhiên có thể thay thế phần lớn polyme tổng hợp mà trong chu trình công nghệ tổng hợp chúng thường gây ô nhiễm do phải có các phụ gia bổ trợ hoặc tự công nghệ phải thải vào môi trường các chất thải
Hướng nghiên cứu của đề tài này là dùng những hợp chất polysac-
charide tự nhiên thông qua công nghệ bức xạ để khâu mạch tạo cấu trúc mới
cho vật Hiệu đáp ứng các yêu cầu về ứng dụng chúng như chất hấp phụ Ngoài
ra, loại vật liệu này còn được sử dựng làm giá thể cố định vi sinh vật phân
Trang 16Phén It PHAN THUC NGHIEM
1.1 Vật liệu
Carboxymethyl chitosan (CMCT) cé d6 deacyl hod 85% do Phòng Công nghệ bức xạ, Viện Nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt cung cấp Tình bột sắn độ sạch trên 98% mua trên thị trường Axit acctic, polycthylene oxit (PEO)
và polyvinyl alcohol (PVA) loại tỉnh khiết của hãng Merck được sử dụng không qua tình chế Borac (Na;B,O;.10H;O) của Trung Quốc, mua trên thị trường, không qua tính chế
Thuốc nhuộm phenol đỏ (RP) có độ sạch >98% của hang Merck mua trên thị trường Hà nội và được dùng không qua xử lý làm sạch thêm
Ching vi sinh vat Pseudomonas putida (P putida) duoc phan lập từ bùn gần bãi chứa than sản xuất than tổ ong thủ công tại khu vực Nghĩa Tân
trên môi trường MPA có thành phần:
Cao thịt 3g
Cao men 5g
NaCl 4g
Nước cất 1000ml
P puiida sau khi phân lập được làm sạch bằng phương pháp cấy ria ba pha
và pha loãng để tách khuẩn lạc trên đĩa thạch môi trường MPA
1L2 Chế tao vat liéu carboxymethyl chitosan (CMCT) va tinh bot khau
mach bang chiéu xa gamma
Dung dich CMCT 30% trong dung dich axit acetic 5% được chuẩn bị từ nước khử ion (deionized water) bằng cách cân 30 g CMCT rồi trộn déu
vào 70 mi dung dịch nước 5% axit acetic Sau đó, hỗn hợp được khuấy đều trên bếp có trang bị khuấy từ và đun ở nhiệt độ 40°C trong vòng 24 giờ
Dưng dịch thu được sau khi hoà đồng nhất CMCT được gạn cẩn thận sang
bình tam giác 200 ml khác làm sao trong lòng dung dịch không có bọt khí Toàn bộ dung dịch trong bình tam giác được chiếu xạ trên nguồn Co-60 ở
khoảng cách có suất liêu 0.3 kGy/h Tổng suất liểu hấp thụ là 2, 5, 10, 20, 30
và 60 kGy Liều chiếu được xác định bằng liễu kế perspect với sai số + 6%
Sau khi chiếu xạ, dung dịch được láng đều trên bê mặt tấm kính được rửa sạch, làm sao độ dày của lớp dung dịch trong khoảng 1-2 mm Để cho vật
liệu khô ở nhiệt độ phòng trong khoảng thời gian 1 tuần Sau đó tấm vật liệu
đông rấn được cất thành từng tấm kích thước 70x70 mm và sấy khô trong
điều kiện chân không Các tấm vật liệu này được nghiên cứu tiếp về phần gel
Trang 17Phương pháp chuẩn bị hỗn hợp bột nhão đối với tinh bột để chiếu xạ cũng được thực hiện tương tự Tuy nhiên, thay vì axit acetc, tỉnh bột (30%
trọng lượng) cùng với PVA và PEO và Borac Sodium (Na;B,O;.10H;O) được hoà vào nước khử ion Thành phần công thức TB:PVA:PEO: Na;B,O;.10H;O có tỷ lệ như sau:
TB: PVA: PEO: Na,B,O;.10H,O = 100:5:5:1 (phr)
phr: phần trên 100 phân chất mẹ
H.3 Xác định phần gel (g) và mức trương nước (Š) của vật liệu sau chiếu xạ
Phần khâu mạch hay còn được gọi là phần gel (gel acHon, g,%) của
vật Hệu sau chiếu xạ ở các liều chiếu khác nhau được xác định bằng cách ngâm chiết khoảng 1 g vật liệu khô vào 100 ml nước khử ion rồi đun nóng ở nhiệt độ 40°C và khuấy trong vòng 72 giờ Sau đó, phần vật liệu không tan trong nước, chính là phần gel, được vớt ra, sấy khô trong chân không Phần gel (g, %) cla vat liệu được tính theo công thức:
g(%)= [W,/W,J*100 (1)
Trong đó W, là trọng lượng mẫu vật liệu sau khi chiết và được sấy khô; W, là trọng lượng mẫu trước khi chiết
Mức trương của vật liệu trong nước được đánh giá qua chỉ số trương S bằng phương pháp cân Khoảng 0.5 g mẫu khô đã loại hết phần không khâu
mach được ngâm vào 100 mÌ nước trong vòng 72 giờ § được xác định bằng công thức:
S=(W, — W/W, (2)
Trong đó: W, là trọng lượng mẫu đã trương tại thời điểm bão hoà (sau 3 ngày
và có thể theo đõi được theo thời gian) và W, là trọng lượng mẫu vật trước
khi ngâm nước, tức là mẫu khô Lưu ý rằng trọng lượng mẫu trong trường hợp này là trọng lượng vật liệu đã loại hết phân không khâu mạch, tức là đã
ngâm nước 72 giờ ở nhiệt độ 40°C và sau đó sấy khô trong chân không
I4 Xác định dung lượng hấp phụ thuốc nhuộm phenol đỏ (RP) của vật liệu khâu mạch
Dưng lượng hấp phụ màu (thuốc nhuộm đỏ phenol, RP) của vật liệu được nghiên cứu cả về cân bằng (statics) và động học (kinctics) Thí nghiệm cân bằng của quá trình hấp phụ được tiến hành bằng cách ngâm 0,5 g (theo
Trang 18pha lỏng (C, trong dung dịch màu) và pha rắn (q, trong CMCT hoặc tỉnh bột khâu mạch) Động học cửa quá trình hấp phụ được theo dõi theo thời gian
trong thí nghiệm với 0,5 g vật liệu hấp phụ màu ngâm trong 100 ml dung
dịch có hàm lượng RP, độ pH cũng như nhiệt độ nhất định Sự thay đổi nông độ RP trong dung dịch do bị hấp phụ trên vật liệu được xác định bằng phương pháp so màu ở bước sóng 490 nm trén may so mau Orbeco-Hellige
975MP (Anh) Hàm lượng RP đã hấp phụ trên tình bột là hiệu số hàm lượng
RP ban đầu (CJ) và hàm lượng RP còn lại trong dung dịch sau thử nghiệm Trong trường hợp hấp thụ đạt cân bằng ta sẽ cé q, (mg/kg) va C, (mg/l) trong ứng là hàm lượng của RP cân bằng trong vật liệu hấp thụ và trong dưng dịch Từ những số liệu thực nghiệm về cân bằng của quá trình hấp phụ RP có thể tính được các thông số về nhiệt động học của quá trình hấp phụ, như mức
thay đổi năng lượng tự do (AG"), enthalpy (AH°), entropy (AS°) từ những biểu
thức nhiệt động học tương ứng Từ những kết quả thực nghiệm về động học có thể tính được tốc độ quá trình hấp phụ RP thông qua hằng số tốc độ và
năng lượng hoạt hoá quá trình hấp phụ (E„) cũng như năng lượng hoạt hoá
của quá trình giải hấp phụ (E,,)
1.5 Nhân giống và xác định khả năng phân huỷ phenol của chủng vì sinh
vat Pseudomonas putida (P putida)
Ching vi khudn P putida nhan dugc sau khi phan Jap va lam sach
được nghiên cứu thử nghiệm khả năng phát triển và chịu đựng trong môi trường có hàm lượng phcnol khác nhau, từ 0 đến 20 mM (0 đến 1.880 mg/l) Vi khuẩn được nuôi cấy trong mơi trường khống lỏng trong điều kiện lắc 200vòng/phút ở nhiệt độ 30°C Môi trường khống cải tiến để ni cấy P puiida có thành phần: (NH,),SO, 0,285g KH;PO, 0,59g MgSO,7H,O 0,2g Mn SO, 0,07g Fe SO, 0,01g CaCl, 0,03g Cao men 0,15% Pepton 0,15% Nước cất 1000ml
Sinh trưởng của tế bào vi khuẩn được đánh giá theo sự gia tăng mật độ quang học (tăng độ đục) của dịch nuôi cấy vi khuẩn tại bước sóng 660 nm
Trang 191.6 Hiệu quả phan huy phenol cia P putida
Vi Khudn P Putida sau khi tuyén chon va cho phat trién trong mdi trường khoáng đến mật độ 10 tế bào/ml trong bình tam giác dung tích 100
mi Sau đó dịch này được bổ sung 6 mM phenol (564 mg/l) Toan bộ khối dịch được ổn định ở 30°C và lác 200 vòng/phút Động học quá trình phân huỷ phenol được theo đõi trong khoảng thời gian 72 giờ bằng phân tích hàm
lugng phenol trong 1 mi dung địch Kỹ thuật phân tích phenol là phương pháp so màu với K;Fe(CN); và xúc tác 4-aminoantipyrine trong môi trường
NH,OH [26]
II 7 Khả năng cố định vi khuẩn P pưiida trên giá thể tỉnh bột khâu mạch Dịch nuôi cấy vi khuẩn P pwiida có mật độ 10? tế bào/ml được sử dụng làm dưng dịch ban đâu cho thử nghiệm cố dinh (immobilize) vì khuẩn
lên giá thể tinh bột khâu mạch (g=46,8%) Đường chuẩn xác định mật độ vi khuẩn trong dung dịch được xây dựng trên cơ sở pha loãng dịch ban đầu Mật độ quang học của dung dịch được xác định tại bước sóng 660 nm trên
may so mau Novaspee (Anh)
Lượng tình bột khâu mạch đem sử dụng là 0.5 g khô Vật liệu được trương nước đến bão hoà rồi ngâm vào 100 mi địch có mật độ vi khuẩn 102 tế bào/ml rồi lắc trên máy lắc với tốc độ 200 vòng/phúi trong 24 giờ ở nhiệt độ 30°C Phân vi khuẩn được cố định lên giá thể được xác định bằng hiệu số mật độ vi khuẩn của dịch ban đâu và mật độ vi khuẩn còn lại trong dịch nuôi
sau thời gian cố định Mật độ vị khuẩn được xác định bằng phương pháp so
màu ở bước sóng 660 nm trên máy so màu Novaspee (Anh)
Trang 20Phân II KẾT QUÁ VÀ THẢO LUẬN Nghiên cứu này gồm ba phần:
1 Áp dụng công nghệ bức xạ tạo vật liệu khâu mạch trên cơ sở các
polyme tự nhiên là CMCT và tỉnh bột sắn, có đủ độ bên cơ học, có khả năng hấp phụ thuốc nhuộm là phenol đỏ (RP) làm đại diện cho thử
nghiệm;
2 Nghiên cứu khả năng phân huỷ phcnoi của chủng ví sinh vật
Pseudomonas putida (P putida) phn lập từ môi trường Việt nam; 3 Nghiên cứu khả năng c6 dinh (immobilization) P putida trén giá thé
tỉnh bột khâu mạch nhằm tăng mật độ VSV và cũng là tăng hiệu qua xử lý môi trường của chế phẩm vi sinh vật (trong tương Iai) trong xử lý môi trường ô nhiễm phenol
HI.1 Khả năng khâu mạch, mức trương nước của CMCT và tính bột sắn khâu
mạch Dung lượng hấp phụ thuốc nhuém phenol dé (RP) cia tinh bét
sẵn khâu mạch
II.1.a Khả năng khâu mạch của CMCT và tỉnh bột sắn/PVA-PEO-Borat
dưới tác dụng của bức xạ gamma
Bảng ï trình bày phần gel (g, %) của CMCT và tịnh bột sắn/ PVA-PEO-
Borat khâu mạch (được gọi tất là tĩnh bột khâu mạch trong các phần sau) trong môi trường nước Trong Bảng ï cũng trình bày công thức của hai loại vật liệu đem thử nghiệm khâu mạch bức xạ
Bang I Phan gel (g, %) của CMCT và tính bột sắn khi bị chiếu xạ với các
liều chiếu khác nhau
Phần gel (%) của TB + PVA +PEO+ Borat và CMCT khi
bị chiếu xạ gamma với liều chiếu khác nhau
Công thức vật liệu 2kGy SkGy 10kGy 20kGy 30kGy 60kGy_
TB: PVA : PEO: Na,BO, 32,3 46,8 56,1 58,0 64,4 65,8 100:5:5:; (pph)
CMCT 2,2 11,4 18,1 26,6 35,4 56,8
TB: tinh bột sắn; PVA: polyvinyl alcohol, PEO: polyethylene oxide; CMCT
carboxymethyl chitosan (Xem Bdng cdc nv viét tat, ky hiéu va thudt ngit,
Trang 21Từ Bảng 1 nhạn thấy, đối với công thức tỉnh bột có phối trộn thêm phụ
gia PVA, PEO và borat làm tác nhân khơi mào khâu mạch, liều chiếu tuy thấp (2 kGy) đã có thể tạo được trên 30% lượng polymer khâu mạch Tuy nhiên, cần phải làm rõ thêm rằng, chiếu xạ được thực hiện trong điều kiện công thức có chứa nước là thành phần rất dé bị thuỷ phân bức xạ tạo các gốc tự đo là hyỏro và hydroxyl như trong phần mở đâu đã nhấc tới Các gốc tự do này có hoạt tính hoá học mạnh, có khả năng tạo tiếp các phản ứng phân ly bức xạ thứ cấp đối với các đại phân tử polyme làm tăng tốc độ phản ứng
khâu mạch đối với polymer Tuy nhiên, cũng trong điều kiện có nước, nhưng
CMCT không có phụ gia khơi mào PVA, PEO và borat, dưới tác dụng của bức xạ với liều chiếu 2 và 5 kGy mới chỉ khâu mạch được không quá 15% Kết quả này phù hợp với những kết quả mà các tác giả khác đã tìm thấy đối với nhiều loại polyme Ví dụ: Pikaev [3] đã cho thấy PE nếu không có phụ gia khơi mào khâu mạch và chiếu xạ trong điều kiện tiếp xúc với không khí thì phần gel ở liễu chiếu 5 kGy không vượt quá 10% Để có thể đạt mức khâu mạch khoảng 50 %, đối với CMCT không có phụ gia cần phải chiếu với liều gần 60 kGy Ngược lại, liều chiếu 5 kGy đã đủ tạo phần gel trong công thức TB + PVA +PEO + Borat đạt mức xấp xỉ 50% Phần gel khoảng 50% là mức tối ưu đối với các vật liệu cần biến tính khâu mạch Đối với loại vật liệu này
các tính chất cơ-lý-hoá đều đã được cải thiện rất nhiêu [3] Vật liệu polyme
có trí nhớ cũng chỉ cần mức khâu mạch khoảng 50%
Cần phải nói thêm rằng anion borat (BO,*) dường như đã có ảnh hưởng đến cơ chế khâu mạch bức xạ của hỗn hop tinh bot + PVA + PEO
Theo Lê Hải [27] nếu chỉ là hỗn hợp tỉnh bột và PVA trong nước thì mức
khâu mạch của tình bột muốn đạt khoảng 50% cũng cần một liều chiếu khoảng 30-35 kGy Trong nghiên cứu này anion borat có tác dụng giống như
persulphate trong polymer hoá monomer dạng vinyl như Kaplan [23] đã
kháng định Có lẽ vì lý do này mà hiệu suất khâu mạch trong tỉnh bột cũng đạt rất cao khi liêu chiếu khá thấp
1H.1.b Mức trương nước, Š, của vật liệu CMCT và tình bột khâu mạch
Mức trương nước, 5, đặc trưng cho khả năng hấp thụ và giữ nước của vật
liệu có các nhóm chức ái nước (hydrophilic) và cấu trúc không gian ba chiều khi được khâu mạch Š là đại lượng quan trọng đối với vật liệu hydrogel
Bảng 2 trình bày kết quả nghiên cứu mức trương nước của CMCT và tỉnh bột sắn đã khâu mạch Kết quả Bảng 2 cho thấy, CMCT khâu mạch 56-57% có mức trương nước khá cao, sau 24 giờ giá trị S đạt 120 Đối với TB khâu
Trang 22Bảng 2 Mức trương nước (S) của CMCT và tỉnh bột ở các mức khâu mnạch khác nhau Vật liệu TB Liễu chiếu, kQy 2 5 10 20 30 60 Giá trị S 82,5 70,0 60,1 57,4 52,3 51,8 Vat liệu CMCT Giá trị S 150,3 138.1 135,5 127,7 125,5 120,0
Các kết quả của Bảng 2 cho thấy CMCT khâu mạch có mức trương nước
cao hơn so với tình bột ở cùng mức khâu mạch Với mức khâu mạch trong
khoảng 50-60%, vật liệu CMCT có mức trương nước khoảng 110-120 so với 50-52 của tính bột Điều này được giải thích là trong phân tử CMCT có nhóm chức amine (-NH,) dễ dàng tạo liên kết hydro giữa phân tử nước và vật liệu Trong khi đó, phân tử tỉnh bột chỉ có nhóm hydroxyl trong nhánh mefoxyl (-CH;-OH) là nhóm chức có khả năng tạo liên kết hydro thấp hon nhiều so với nhóm amine
Xét về mặt kinh tế thì trong trường hợp tạo vật liệu làm giá thể cố định vi sinh vat (VSV) phân giải ô nhiễm môi trường hoặc làm chất hấp phụ ô nhiễm thuốc nhuộm, CMCT khó có khả năng cạnh tranh với tinh bội Lý do chính hạn chế khả năng ứng dụng CMCT trong trường hợp này là giá CMCT đát hơn nhiều lần so với tỉnh bột (sắn) Giá CMCT là 2.000.000 đồng/kg, trong khi giá tỉnh bột sắn chỉ là 5.000 đồng/kg Chính vì lý do giá cả của hai loại vật liệu đầu vào cho nghiên cứu khác nhau như vậy nên chúng tôi quyết
định tập trung tất cả các nghiên cứu sau này cho tỉnh bột khâu mạch như vật
liệu hấp phụ màu hoặc cố định VSV phân giải ô nhiễm môi trường với chủng
vi khuẩn Pseudomonas putida (P putida) \am mô hình
IH.1.c Cân bằng hấp phụ thuốc nhuộm phenol đỏ (RP) trên tính bột khâu
mạch
Hình I trình bày so sánh vật liệu TB khâu mạch (46.8%) trước (0,5 g) và sau khi hấp phụ RP (25,5 g) trong điều kiện môi trường có pH 9, thời gian
Trang 23
Hình 1 Vật liệu TB khâu mach (46.8%) truéc khi hp phu thuéc nhudm RP (0,5g)
va sau 3 ngay hap phu; Diéu kién mdi trudng pH9, T= 30°C, C,= 25 mg/l
Hình 2 trình bày đường chuẩn xác định hàm lượng thuốc nhuộm RP
trong dung dịch Kết qua trén Hinh 2 cho thấy đường chuẩn có hệ số làm
khớp rất cao (0,9996) trong khoảng ham lượng RP từ 0 đến 100 mg/l Dudng chuẩn này đã được sử dụng cho các nghiên cứu tiếp theo về cân bằng cũng
như động học quá trình hấp phụ RP trên tính bột khâu mạch Vì hệ số làm
khớp tốt như vậy, nên các kết quả nghiên cứu tiếp theo về xác định hàm
lượng RP trong dung dịch cũng sẽ có độ tin cậy cao 09 2 os 5s 07 Soe y = 0.0078x - 0.0014 g05 R?=0.9996, n=4 8 04 03 kế Š o1 0 r r : 9 20 40 60 80 400 120
Hàm lượng RP trong dung dịch, mg/1
Hình 2 Đường chuẩn xác định RP trong dung dịch bằng phương pháp so màu
(A=490 nm)
Hình 3 trình bày sự phụ thuộc hàm lượng cân bằng của thuốc nhuộm
RP trong tinh bét khâu mạch (q,) vào giá trị pH dung dịch nước chứa RP với
hàm lượng ban đầu (Cụ = 25 mg/]) và nhiệt độ 30 °C
Trang 24
Hình 3 Sự phụ thuộc hàm lượng RP cân bằng (q.) trong tính bột khâu mạch (TBKM) vào pH dung dịch có hàm lượng RP ban dau 1a 25 mg/l va nhiét d6 30°C
Kết quả trên Hinh 3 cho thấy, trong môi trường axit, tâm hấp phụ của TB có mức hoạt hoá yếu Các tâm này chủ yếu là gốc metoxyl Khi pH tăng,
môi trường chuyển sang kiểm, gốc metoxyl sẽ tác dụng với kiểm (NaOH) tạo muối (Hình 4a) Ở dạng muối, tâm hấp phụ đã được hoạt hoá mạnh hơn do
Trang 25pH=6.8-8.2 = (b) (c)
Hình 4 Cơ chế (có khả năng) hấp phụ RP trên TBKM trong môi trường kiểm
Điểm uốn của đường cong q,-pH có giá trị pH khoảng 5,5-5,7 Điều
này có nghĩa là log hằng số cân bằng phản ứng tạo muối của TB, logK, bằng 5,5-5,7 (logK = 5,5-5,7) Giá trị này cũng phù hợp với giá trị trong tài liệu
tham khảo là logK„= 5.7 [28]
Hình 5 trình bày đường đẳng nhiệt hấp phụ RP trên tỉnh bột không khâu mạch (TR) và tỉnh bột khâu mạch (TBKM)
Trang 26600 500 400 2 300 TB & 200 = TBKM (46,8%) 100 0 o 10 20 30 400 3 Cc, g/m Hình 5 Đường đẳng nhiệt hấp phụ RP trên tỉnh bột không khâu mạch (TB) và tỉnh bột khâu mạch (TBKM), g= 46,8%, pH=9, T = 30°C
Từ các kết quả thu được trình bày trên Hinh 5, hấp phụ thuốc nhuộm
RP trên tỉnh bột khâu mạch được làm khớp với mô hình hấp phụ Langmuir
và Freudrich Mô hình hấp thụ Langmuir cho rằng quá trình hấp phụ đơn
thuần là đo tương tác tĩnh điện trên bề mặt chất hấp phụ với chất bị hấp phụ và được biểu diễn bằng công thức:
Ca, =q/Q#b) + (C/Q) @)
Trong đó: C, là hàm lượng thuốc nhuộm RP còn lại trong dung dịch khi đạt trạng thái cân bằng (g/m”), q, là hàm lượng thuốc nhuộm đã hấp phụ trên
tỉnh bột ở trạng thái cân bằng (g/kg); Q và b là các hằng số Langmuir đặc
trưng tương ứng cho dung lượng và năng lượng hấp phụ
Mô hình hấp phy Freudrich áp dụng cho những quá trình hấp phụ
không chỉ đo tương tác tĩnh điện mà còn có các hiệu ứng khác nữa, ví dụ
khuyếch tán vào trong lòng chất hấp phụ và phương trình hấp phụ theo mô hình Ereudrich có dạng:
= InQ,+ (1/n)inC, (4)
Trong đó Q, và n tương ứng là những hằng số Ereudrich liên quan đến dung lượng hấp phụ và mật độ tâm hấp phụ của vật liệu hấp phụ
Như vậy, từ kết quả thực nghiệm về cân bằng hấp phụ (Hình 5) ta có thể
làm khớp chúng theo các mô hình hoặc hấp phụ Langmuir hoặc Freudrich
Trang 27- CJq,—C, 1a dutng thing hap phu Langmuir va tang góc nghiêng của đường này với trục hoành là giá trị (1/Q); Điểm cắt trục tung khi C, =
0 là giá trị (1/0*b)
- Ínq, -InC, là đường thẳng hấp phụ Freudrich tang góc nghiêng của
đường này với trục hoành là giá trị (1/a); Điểm cất trục tung, khi C,=1,
là giá trị InQ,
Bảng 3 trình bày kết quả các phép làm khớp cân bằng hấp phụ thuốc nhuộm RP trên tỉnh bột khâu mạch (0 kết quả trên H5 và phương trình 3 và phương trình 4, các số liệu trình bày cụ thể trong phần phụ lục) Kết quả cho thấy, quá trình hấp phụ tuân theo mô hình cân bằng Langmưir vì hệ số làm khớp cao hơn (R?= 0,99) so với mô hình Freudrich (R?= 0,90), Bảng 3
Bảng 3 Các hằng số của đường đẳng nhiệt hấp phụ được xác định trên cơ sở làm khớp kết quả thực nghiệm hấp phụ RP trên tỉnh bột khâu mạch với mô hình Langmuir và Freudrich
Theo Langmuir Theo Freudrich
Q (g/kg) bmg) RR’ Q n R?
TBkhâumạchpH9 5882 0038 099 | 8102 036 090
Kết quả Bảng 3 cho thấy dung lượng hấp phụ của tình bột sấn khâu
mạch (g=46.8%) đạt giá trị 580-600 g/kg Dung lượng hấp phụ này hoàn
toàn đảm bảo khả năng xử lý tốt ô nhiễm thuốc nhuộm trong nước thải từ
nhà máy dệt-nhuộm-hấp mà thông thường chỉ có mức ô nhiễm vài chục
miligram thuốc nhuộm trong một lít nước
HI.1.đ Động học quá trình hấp phụ thuốc nhuộm RP trên tỉnh bột khâu mạch Hình 6 trình bày động học quá trình hấp phụ RP trên tỉnh bột khâu mạch
(46,8%) với các hàm lượng RP ban đầu Cụ = 10, 50 và 100 mgil
Từ /Ởừnh 6, một số mô hình mô tả động học và cân bằng hấp phụ RP trên tinh bột khâu mạch đã được áp dụng để tính một số thông số của quá trình
® Mô hình hấp phụ giả bậc 1
Đây là mô hình hấp phụ Langmuir và động học hấp phụ được mô tả
bằng biểu thức:
Trang 28Trong đó: q, và q tương ứng là dung lượng hấp phụ thuốc nhuộm RP đã đạt trạng thái cân bằng và ở thời điểm t (mg/kg),
k, là hằng số tốc độ quá trình hấp phụ theo mô hình giả bậc 1 có đơn vị là min’ 200 I i † ond a C-T0Omgi + s| 4 š 0 1 Thời gian gờ 0 5 10 1% 2X 2 w % MO 4 50 %
Hình 6 Động học quá trình hấp phụ RP trên tính bột khâu mạch (48,6%) với
các hàm lượng RP ban đầu khác nhau và ở nhiệt độ 30°C, pH=9 Như vậy, theo công thức (5) bằng cách dựng đồ thị sự phụ thuộc Ín(q,-
q) vào thời gian t, ta có thể xác định được giá trị k, Thông thường mô hình
hấp phụ giả bậc 1 chỉ đúng ở giai đoạn đầu của đường hấp phụ, sau đó nó lại
tuân theo những quy luật khác sẽ được trình bày dưới đây ®Mơ hình động học hấp phụ giả bậc2 Theo mô hình này, động học quá trình hấp phụ RP được mô tả bằng công thức: 1q = (1/k;*q 2) + (/q,) © h= k,*q/ (7) va
Trong đó q và q, tương ứng là dung lượng hấp phụ thuốc nhuộm RP trên vat liệu tại thời điểm t và thời điểm cân bằng: k, (kg/g min) là hằng số tốc
độ quá trình hấp phụ giả bậc 2 và h là tốc độ hấp phụ ban dau (g/kg min)
Trong trường hợp này, tang góc nghiêng hợp bởi đường thẳng mô tả sự
Trang 29hình này sử dụng để tiên đoán khả năng hấp phụ thuốc nhuộm của vật liệu trên cả khoảng thời gian nghiên cứu và các kết quả của nghiên cứu này cho thấy khi thời gian lâu hơn 10 giờ hầu như tốc độ hấp phụ RP trên vật liệu là tuân theo quy luật động học giả bậc hai
®Mơ hình hấp phụ khuyếch tán trong lòng vật liệu
Công thức tốn học mơ tả động học theo mô hình này như sau:
q=kt® (8)
Trong đó k, là hằng số tốc độ khuyếch tán vào trong lòng vật liệu của RP và có đơn vị là (g/kg min°5) Giá trị k, được xác định từ tang của góc hợp
bởi đường thẳng mô tả sự phụ thuộc q vào t *' và trục hoành
Kết quả thực nghiệm trình bày trên Hink 6 cho thấy hàm lượng thuốc nhuộm trong dung dịch trước xử lý càng cao thì dung lượng hấp phụ (q) của vật liệu cũng càng cao Điều này chứng tỏ gradient của chất bị hấp phụ đóng vai trò quan trọng, quyết định dung lượng hấp phụ của vật liệu Bảng 4 trình bày kết quả tính toán các hằng số của ba mô hình hấp phụ RP trên tỉnh bột khâu mạch như đã nêu ở phần trên, mô hình hấp phụ giả bậc 1, giả bậc 2 và khuyếch tán vào lòng vật liệu Từ kết quả tính toán ở Bảng 4 ta thấy, hệ số khớp theo mô hình hấp phụ giả bậc 2 là cao hơn (R?
= 0.99) so với hệ số làm khớp của hai mô hình hấp phụ giả bậc 1 và
khuyếch tán Đồng thời, dung lượng hấp phụ lý thuyết ở trạng thái cân
bằng theo mô hình hấp thụ giả bac hai, q,.„, cũng rất gần với giá trị thực nghiệm Ví dụ, q „ = 19.9 g/kg so với giá trị q, thực nghiệm là 19,5 g/kg
khi bàm lượng RP ban đâu là 10 g/mẺ hoặc q,.„ = 83,9 g/kg so với q, thực nghiệm là 82 g/kg khi ham lượng RP ban đầu là 50 g/m' Điều này chứng tỏ cơ chế hấp phụ theo mô hình giả bậc 2 là phố biến trong trường
hợp hấp phụ RP trên tinh bột khâu mạch và tốc độ các quá trình hoá học
như phân ly hoặc tương tác giữa phân tử tỉnh bột đã thuỷ phân với phân tử RP hoặc cả hai quá trình trên là quyết định tốc độ của cả quá trình hấp phụ Kết quả nghiên cứu này cũng phù hợp với các kết quả của các tác giả
Aksu va Tezer [29] va Aksu [30] khi nghiên cứu hấp phụ RB2, RY2 trên
Trang 30Bảng 4 So sánh hằng số tốc độ hấp phụ “k”, dung lượng hấp phụ lý
thuyết (q, „„) với dung lượng hấp phụ q, giữa các mô hình hấp
phụ giả bậc 1, giả bậc 2 và khuyếch tán trong các điều kiện hàm lượng thuốc nhuộm ban đầu khác nhau
Các Mô hình hấp phụ gid bac 1 Mô hình hấp phụ giả bậc 2 Mô hình khuyếh tần
thông q (g/kg) ki (min) Ga Rk h Geen RB? k R?
số (e/g) (hg min") _phkg (g/g min)
Ham lugng thuéc nhuém ban dau, g/m’, t=24 git 10 19,5 19.107 15,7 0,89 4,3.107 0,02 199 0,99 85 0,98 50 82,0 12.107 86,2 0,90 2,0.10° 0,15 83,9 0,99 121 0,98 100 165,6 1,410? 168,6 0,90 1,0.107 0,29 1653 0,99 137 0,97 IH.1.e Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình hấp phụ thuốc nhuộm RP trên tỉnh bột khâu mạch
Hình 7 trình bày sự phụ thuộc của động học quá trình hấp phụ RP trên
TB khâu mạch vào nhiệt độ Thí nghiệm được tiến hành ở bốn mức nhiệt độ
khác nhau: 20, 230, 40 và 50 °%C với hàm lượng RP ban đầu là 100 mg/1 Từ
Hình 7 nhận thấy, khi tăng nhiệt độ, dung lượng hấp phụ cũng tăng Ở giải
đoạn đầu, tức là trước thời điểm đạt bão hoà- trước khi dung lượng hấp phụ
đạt giá trị q, Tuy nhiên, sau 48 giờ, dung lượng hấp phụ ở ba nhiệt độ 20,
30, 40 °C đều đạt giá trị ngang nhau Riêng ở nhiệt độ 5O °C, dung lượng hấp
phụ luôn thấp hơn so với giá trị đó ở ba nhiệt độ thấp (Hình 7) Như vậy, ở nhiệt độ thấp hơn 50°C trước thời điểm bão hoà, hấp phụ được kiểm soát bằng các quá trình động học, còn sau thời điểm đạt cân bằng nó lại được
kiểm soát bởi các quá trình toả nhiệt Hấp phụ RP trên tỉnh bột khâu mạch là
Trang 31
Hình 7 Động học quá trình hấp phụ RP trên tỉnh bột khâu mạch (g = 46,8%)
ở các nhiệt độ khác nhau, C_ =100 mg/I, pH=9
Bảng 5 trình bày các thông số làm khớp động học hấp phụ RP trên tỉnh
bột khâu mạch (từ Hinh 7) ở các nhiệt độ khác nhau
Bảng 5 Các thông số làm khớp mô hình hấp phụ RP trên tỉnh bột khâu mạch
ở các nhiệt độ khác nhau
Các Mô hình hấp phụ giả bậcl — Mô hình hấp phụ giả bậc 2 Mô hình khuyếch tán
thong q (g/kg) ki(min') ayo R? k, h Geer RẺ k, R số (ø/kg) (g/kg min") g/kg _(kg/g min) Nhiệt độ (^C), Cạ=100 mgii, t= 48 giờ 20 1640 1,110? 1575 0/86 2,5.105 0,02 173,8 0,998 106 0,89 30 165,6 1,610? 168,6 0,90 2,0.107 0,29 168,7 0,998 120 0,90 40 1657 2,210? 1584 089 16107 0,36 158,3 0,998 146 0,91
Kết quả làm khớp (Bảng 5) cũng cho thấy, khi nhiệt độ tăng động học
của quá trình hấp phụ cũng tăng, tức là k,, h và k; tăng theo nhiệt độ và hệ số
làm khớp với mô hình hấp phụ giả bậc hai là tốt hơn cả Trong trường hợp
này, giá trị R? gần bằng 1 Điều này chứng tỏ động học quá trình phụ thuộc
nhiều vào tốc độ tạo muối trong tỉnh bột khâu mạch làm tăng mật độ tâm hấp
phụ tham gia vào quá trình hấp phụ Đồng thời, khi nhiệt độ tăng, tốc độ khuyếch tán thuốc nhuộm đã hấp phụ trên bề mặt vào trong lòng vật liệu cũng được tăng cường dẫn tới động học hấp phụ cũng nhanh hơn Tuy nhiên,
nhiệt độ 40°C là tối ưu đối với cả hai quá trình trên
Trang 32Các thông số nhiệt động học như mức biến đổi năng lượng tự do (AG°), enthalpy (AH?), entropy (AS°) cia qué trinh hap phụ RP trên tính bột khâu mạch đã được tính toán theo các công thức sau đây [31]:
K,=C,J/C, (9)
AG? = -RTinK, (10)
InK, = (AS1/R) - (AH?/RT (11)
Trong đó: K, là hằng số cân bằng, C, là lượng thuốc nhuộm (g) da hap phụ trên vật liệu hấp phụ trong một lít dung dịch ở điều kiện cân bằng, C„ là hàm lượng mâu trong dung địch ở điều kiện cân bằng (g/1), R là hằng số khí vạn năng (R=8,314 J/mol K), T là nhiệt độ của dung dịch ()
Giá trị các đại lượng AS° và AH° được xác định thông qua hệ số góc (tang) và giá trị điểm cắt trục tung của đồ thị phụ thuộc InK, vào 1/T Các số liệu tính toán được trình bày trong Bảng 6
Bảng 6 Các thông số nhiệt động học và hằng số tốc độ của quá trình hấp phụ RP trên tỉnh bột khâu mạch (pH = 9, C,= 100 mg/l) Nhiệt độ CC) Các thông số nhiệt động học Hằng số tốc độ hấp phụ K, AG are as k, Ey ŒJ#mob (kJ/mol) G/molK) (kg/g min) (J/mol) 20 66,3 -10,1 30 40,5 -9,2 -21,3 -38,2 2.0x1ữ T1 40 381 -84
Các kết quả của Bảng 6 cho thấy, quá trình hấp phụ thuốc nhuộm RP từ dung dịch nước lên tính bột khâu mạch, ở điều kiện nhiệt độ <40°C, xảy ra tức thời
vì năng lượng tự đo của quá trình này (AG”) có giá trị âm Gía trị âm của enthalpy (AH°) cho thay qué trinh hap phu 1a qué trinh toa nhiét va entropy
(AS°) cũng âm chứng tỏ độ ngẫu nhiên trên bể mặt tiếp xúc giữa dung dịch và pha rắn trong quá trình hấp phụ bị giảm đi
Hằng số tốc độ quá trình hấp phụ giả bậc hai, k„, trong trường hợp này được xác định theo biểu tức Arrhenius như sau:
k, = kexp(-E,/RT) (12)
Trong d6 k, 1a hing s6 t6c độ quá trình hấp phụ giả bậc 2 (Bảng 5), k, là đại
lượng phụ thuộc vào nhiệt độ (kg/g min), E,„ là năng lượng hoạt hoá của quá
Trang 33Gia tri cia k, va E,, duoc x4c dinh thong qua su phu thudc giita Ink, va
1/T Hệ số góc của đường thẳng phụ thuộc lnk, ~1/T là giá trị E„/R và giá trị điểm cắt trục tung của đồ thị trên là Ink„ Các giá trị Kẹ, AG°, AH?, AS, k, và E„„ tính toán được trên cơ sở các kết quả thực nghiệm thu được trong nghiên cứu quá trình hấp phụ RP trên tỉnh bột khâu mạch được trình bày trong Bảng 6
Mối tương quan giữa năng lượng hoạt hoá của quá trình hấp phụ, E„„, và năng lượng hoạt hoá của quá trình giải hấp phụ, E„„ (hai quá trình ngược
nhau) được xác định thông qua biểu thức:
AH? = B,- Ex, (13)
Từ kết qủa của Bảng 5 và Bảng 6 ta có thể tính được năng lượng giải
hấp phụ RP từ tỉnh bột khâu mạch theo biểu thức (13) và kết quả cho thấy E„
= 92.3 k]/mol Giá trị này là lớn và điều đó chứng tỏ quá trình giải hấp là quá trình khó khăn hơn rất nhiều so với quá trình hấp phụ Để giải hấp cần phải
có những tác động ngoại cảnh khác, ví dụ thay đổi pH hoặc nhiệt độ
HI.2 Phân lập, tryển chọn và nghiên cứu khả năng phân huỷ phenol của ví khudn Pseudomonas putida
Hình 8a và Šb là những hình ảnh cho thấy kỹ thuật cấy ria ba pha trên đĩa thạch và cấy pha loãng tách khuẩn lạc Pseudomonas putida (P.putida) từ bùn gần khu sản xuất than tổ ong tại khu vực Nghĩa Tân, Cầu Giấy
a b
Hình 8 Kỹ thuật cấy ria ba pha tuyển chọn (a) va tach khudn lac P putida (b)
Trang 34Vi khuan P putida sau khi được phân lập và nhân giống trong môi trường MCA đã được thử nghiệm khả năng phát triển trong điều kiện môi
trường có bổ sung phenol Hàm lượng phenol thêm vào môi trường tăng từ 0
đến 20 mM, tức là từ 0 đến 1880 mg/1 Sinh trưởng và phát triển của P
puiida trong môi trường có bổ sung phenol được chứng minh thông qua sự gia tang độ đục của dung dịch, tức là sự gia tăng giá trị mật độ quang học
cia dung dich Hinh 9 là tập hợp của loạt thí nghiệm về sự phát triển của vi
khudn P putida trong mdi trường có bổ sung phenol sau 24 giờ nuôi cấy
Hình 9 Sự gia tăng tế bào P puiida trong môi trường có bổ sung phenol từ OmM dén 14 mM (0-1880 mg/l) sau 24h nuôi cấy
Hình 10 biểu diễn sự thay đổi mật độ quang học của dung dịch môi trường
nuôi cấy P putida có bỗ sung phenol với hàm lượng khác nhau sau 24 giờ 0.8 eeeee + tŒœhu GA Mật độ quang học, OD (660 nm) œ es = N = 0 4 6 8 10 12 14 16 20
Ham lugng phenol bé sung, mM
Hình 10 Sự gia tang mat 46 P putida trong môi trường có bổ sung phenol sau 24 giờ
Trang 35Từ Hình I0 nhận thấy, vi khuẩn P pufida có khả năng sinh trưởng và phát triển trong môi trường có nhiễm phenol Đặc biệt, sự phát triển này là cao nhất khi môi trường có chứa 6 mM (564 mg/l) phenol Nhu vay, vi khudn P putida đã phân huỷ phenol để lấy hydrocarbon như nguồn carbon duy
nhất cho sự phát triển của mình Phenol với hàm lượng >12 mM (~1200
mg/l) trong dịch nuôi sẽ là độc đối với P pưtida và điều đó phản ánh hiện tượng mật độ quang học của dịch nuôi sau 24 giờ thấp hơn rõ rệt so với khi môi trường không có phenol
Hình 11 trình bày sự phát triển quân thể vi khuẩn P putida theo thi
gian khi không bổ sung và khi có bổ sung vào môi trường 5 mM (470 mg/l)
phenol Kết quả trình bày trên Hình /ï cho thấy vi khudn P putida phat triển tốt trong khoảng 20-24 giờ đầu, ngay cả khi môi trường có phenol với hàm
lượng khoảng 500 mg/l Nguồn hydrocarbon cung cấp năng lượng để vi
khudn P putida phát triển chắc chấn đã được lấy từ phenol Mật độ quang (OD, 660 nm) © © © > na œ e Nv e T T T T T T 0 10 20 30 40 50 6 70
Thời gian, giờ
Hình I1 Sự gia tăng sinh khối tế bào của P pưưida trong môi trường được bổ
sung 0 mM (a) va 6 mM (8) phenol theo thời gian
HI.3 Hiệu quả phân huỷ phenol của vi khuẩn P putida
Hình 12 trình bày sự suy giảm hàm lượng phenol trong dịch nuôi cấy P putida theo thdi gian Cé thé thay ring vi khudn P putida da sit dung phenol như nguồn cung cấp hydrocacbon để duy trì sự phát triển của mình
Trang 36Hinh 12 Hiéu qua phan huy phenol cia vi khudn P putida trong diéu kién phòng thí nghiệm
Kết quả thực nghiệm cho thấy sau ba ngày nuôi cấy trong điều kiện phòng thí nghiệm, hàm lượng phenol trong dịch nuôi đã giảm được 97%, từ 564 mg/I xuống khoảng 15 mg/l và sau ba ngày hàm lượng phenol giảm
xuống còn khoảng 5 mg/l Một số tác giả nước ngoài cũng cho thấy xu thế tương tự đối với động học phân huỷ phenol bởi vi khuẩn P puyida [32, 33] II.3 Khả năng cố định P putida trên giá thể tính bội khâu mạch
Hình 13 là ảnh quét cấu trúc vật liệu tỉnh bột khâu mạch dưới kính hiển vi điện tử ( ảnh SEM)
Hình 13 Ảnh SEM cấu trúc không gian mạng tính bột khâu mạch
Trang 37Có thể nhận thấy, khi được khâu mạch, tính bột đã có mạng cấu trúc không gian ba chiều làm tăng bể mặt riêng của nó Cấu trúc này tạo thuận lợi cho vi khuẩn có vị trí để cố định (mmobilize) Hơn nữa, trong cấu trúc của
tỉnh bột có nhóm chức metoxyl khi bị phân ly (theo Hình 4 ở pH>5,7) đã tạo
ra trên bề mặt vật liệu mức fĩnh điện cao làm tăng động học và cân bằng học của quá trình hấp thụ (vi khuẩn) lên bê mặt vật liệu
Hình 14 là ảnh SEM của vật liệu sau 72 giờ cố định vi khuẩn P puñida
lên tỉnh bột khâu mạch trong điều kiện lắc 200 vòng/phút và nhiệt độ 30°C
Hình 14 Ảnh SEM vật liệu tỉnh bột đã được cố định P putida sau 72 gid lic (200 vòng/phúU) ở nhiệt độ 30 °C
Bảng 7 trình bày kết quả nghiên cứu khả năng cố định (mmobiliza- tion) P putida lên tỉnh bột khâu mạch Dịch nuôi có mật độ vi khuẩn ban
đầu là 102 tế bào/mi
Bảng 7 Hiệu xuất cố định (mmobilization) P puwida lên tỉnh bột khâu mạch Trọnglượg Mậtđộiế Mạtđộtếbào Mạtđộtếbào Hiệu xuất cố mẫu TBkhô, bào khởi điểm, còn lại trong dịch đãđượccốđịnh định, %
Trang 38Kết quả trong Bảng 7 cho thấy P puitda có khả năng cố định lên tỉnh bột khâu mạch Sau 2 ngày ngâm vật liệu trong dịch nuôi cấy vi khuẩn, trung bình 0,28 g vật liệu có khả năng cố định được 56% số lượng vi khuẩn có trong dịch nuôi ban đầu Tuy nhiên, hiệu xuất cố định này vấn còn thấp Điều này có thể do điều kiện cố định như pH, nhiệt độ, lực ion của dịch nuôi vi khuẩn chưa được lựa chọn tối ưu Đây cũng là những nội dung cần được
nghiên cứu kỹ và triển khai ngay trong những năm tới để có thể có được chế phẩm vi sinh vật phân huỷ phenol hoặc các hợp chất ô nhiễm hữu cơ khác Thêm vào đó, cần phải nghiên cứu bản chất của các sản phẩm sau phân huỷ bằng chế phẩm sinh học sản xuất được Thực tế cho thấy sản phẩm phân huỷ
có khi còn độc hại hơn ô nhiễm mẹ
Phân V KẾT LUẬN
Đề tài đã hoàn thành các nội dung nghiên cứu chính cam kết trong Hợp đồng ký ngày 27/7/2004 Các kết quả khoa học thu được bao gồm:
- Carbomethyl chitosan (CMCT) 30% trong dung dich 5% axit axetic sẽ khâu mạch với mức g = 45-50 % khi liều chiếu xạ cao hơn 50 kGy CMCT khâu mạch với g = 50% có mức trương nước S =120
- Vật liệu khâu mạch chế tạo từ hỗn hợp nước, tỉnh bột sắn cùng PVA, PEO
và NayBO; khâu mạch với mức gel 48,6% với liều chiếu 5 kGy Mức trương
nước của vật liệu tình bột khâu mạch S =70 Loại vật liệu thu được có khả năng hấp phụ thuốc nhuộm đỏ phenol (RP) từ môi trường nước có pH>5,7
- Quá trình hấp phụ RP trên tỉnh bột khâu mạch xảy ra tức thời vì AG°<0 và là quá trình toả nhiệt vì AH?®<0 Do vậy, để có dung lượng hấp phụ cao cần
tiến hành quá trình hấp thụ RP ở nhiệt độ thấp hơn 50°C
- Năng lượng hoạt hoá quá trình giải hấp phụ (quá trình ngược lại của hấp
phụ) E„ = 92,3 kJ/mol là tương đối cao nên giải hấp chỉ có thể xảy ra khi
điều kiện môi trường thay đổi, ví dụ: thay đổi nhiệt độ hoặc pH
- Chủng vi sinh vật Psewdomonas putida (P puiida) đã được phân lập, tuyển chọn và nhân chủng trong điều kiện phòng thí nghiệm
- P putida c6é kha năng phát triển tốt trong môi trường nuôi cấy nhiễm
phenol dén 10 mM (940 mg/l) Với mật độ vi khuẩn 10” tế bào/ml, sau 3 ngày nuôi cấy ở điều kiện phòng thí nghiệm trong dịch nuôi chứa 564 rng phenol/l, ham lugng phenol trong dịch đã giảm xuống dưới 5 mg/l Tuy nhiên, cơ chế quá trình phân huỷ phenol của P pufida cần phải được nghiên cứu sâu hơn cùng với sự hợp tác quốc tế rộng rãi và phải có sự đầu tư nhiều
hơn nữa từ phía Việt Nam
- Vật liệu tinh bột khâu mạch được kháng định là có khả năng dùng làm giá
Trang 39cứu cải tiến để tăng mức trương nước và tăng mật độ cố định vi sinh vật lên
mức >80% Đồng thời cần nghiên cứu mở rộng khả năng cố định nhiều chủng vi sinh vật có khả năng phân huỷ nhiều ô nhiễm hữu cơ khác lên cùng
một giá thể Có như vậy nó mới đáp ứng được chỉ tiêu kinh tế của một chế phẩm vi sinh vật sử dụng trong xử lý môi trường
- Khả năng tái sử dụng của vật liệu cũng cần được nghiên cứu để đảm bảo giá thành của chế phẩm là chấp nhận được
- Đây là một hướng nghiên cứu mới của Viện Năng lượng nguyên tử Việt nam, nó là tích hợp giữa công nghệ bức xạ và công nghệ sinh học cần được
các cấp lãnh đạo quan tâm tạo dựng được nhóm nghiên cứu chuyên nghiệp
theo hướng này
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1 Ermov, B G., Radiation chemistry and feed production Energo- atomizdat Moscow, 1986, 72 p (tiéng Nga)
2 Polyektova, L P., Dobrovolskii, S P., Ivanter, E L., Radiation
chemistry Collection of papers Afomizdat, Moscow, 1972, V.2, pp.551-555 (tiéng Nga)
3 Pikaev, A K., Advanced radiation chemistry Solid substances and
polymers Applied aspects Publishing House “Science”, Moscow,
1987 448 p (tiéng Nga)
4 Dole M., Ed., The Radiation chemistry of macromolecules, Vol 1,
Acad Press, N Y., 1972, 369 p
5 Piankov, G N., Meleshevich, A P., Yarmilko, E G., Radiation
modification of polymeric materials Pub House “Technika”, Kiev, 1969, 232 p (tiếng Nga)
6 Kargin, V A., Radiation chemistry of polymers “Science”, Moscow,
1973, 455 p (tiếng Nga)
7 Finkel, E E., Leschenko, S S., Braginskii, R., P., Radiation chemistry
and cable technology Atomizdat, Moscow, 1968, 313p (tiếng Nga)
8 Charlesby, A., Nuclear radiation and polymers Willey, New York,
Trang 409 Machlis, F., A., Radiation physics and chemistry of polymers Atomizdat, 1972, 328 p
10 Swolloy, A J., Radiation chemistry of organic substances Willey, N
Y., 1973, 453 p
11 Lã Thị Thanh Phương, Nguyễn Bá Hữu, Đặng Thị Cẩm Hà, Phân huỷ
sinh học hydrocarbơn thơm đa nhân (PAHSs) bởi chủng vị khuẩn
MXL-9 phân lập từ cặn dầu thô của mỏ Bạch Hồ, Vũng Tàu Tạp chí
Công nghệ sinh học Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam,
1(2003)109-117
12 Kaetsu, I., Kumakura, M., Fujimura, T., Kasai, N., and Tamada, M., Immobilization of microbial cells and yeast cell and its application to
biomass conversion using radiation technique Intl J Radiat Appl & Instrum Part C Rad Phy And Chem., 29(1987)191-193
13, Carenza, M., Yoshida, M., Kumakura, M., and Fujimura T.,
Hydrogels obtained by radiation-induced polymerization for yeast
cells immobilization Eur Polym J, 29(1993)1013-1018
14, Quang Trong Nguyen, Zhenghua Ping, Tuyen Nguyen, Pierre Rigal, Simple method for immobilization of bio-macromolecules onto membranes of different types J Membrane Science, 213(2003)85-95
15 Qurashi, M T., Blair, H S., Allen, S J., Studies on Modified Chitosan
Membranes, J Appl Polym Sci 46(1992)255-262
16 Ravi Kumar, N V M., A Review of chitin and chitosan applications Reactive and Functional Polymer, 46(2000)1-27
17.Wach, R A., Mitomo, H., Nagasawa, N., and Yoshii, F., Radiation
crossliking of carboxymethylcellulose of various degree of substitution at high concentration in aqueous solutions of neutral pH Radiat, Phys and Chem., 54(2003)253-270
18 Wach, R A., Mitomo, H., Yoshii, F., and Kume, T, Hydrogel of radiation-induced crosslinking hydroxypropylcellulose Macromol