Đang tải... (xem toàn văn)
Trong nghiên cứu này, tro bay được biến tính bằng phương pháp ngâm tẩm sử dụng muối sắt (III) sunfat. Sản phẩm sau biến tính được sử dụng với vai trò làm chất xúc tác Fenton dị thể nhằm phân hủy kháng sinh Ampicillin (AP) trong nước.
Tạp chí phân tích Hóa, Lý Sinh học - Tập 25, Số 2/2020 PHÂN HỦY KHÁNG SINH AMPIXILIN BẰNG KỸ THUẬT FENTON DỊ THỂ SỬ DỤNG TRO BAY BIẾN TÍNH Đến tịa soạn 26-12-2019 Vũ Thanh Liêm Khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội Viện Kỹ thuật Phịng khơng - Khơng qn, Bộ Quốc phịng Nguyễn Ngọc Tùng Trung tâm Nghiên cứu Chuyển giao Công nghệ, Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam Lê Vũ Tiến Bộ Khoa học & Cơng nghệ Đào Sỹ Đức Khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội Trong nghiên cứu này, tro bay biến tính phương pháp ngâm tẩm sử dụng muối sắt (III) sunfat Sản phẩm sau biến tính sử dụng với vai trò làm chất xúc tác Fenton dị thể nhằm phân hủy kháng sinh Ampicillin (AP) nước Các điều kiện biến tính tro bay, ảnh hưởng yếu tố quan trọng pH, hàm lượng H2O2 xúc tác đến hiệu suất xử lý AP khảo sát, thảo luận tối ưu Điều kiện biến tính tro bay sau: tỉ lệ muối Fe2(SO4)3/tro bay 2,5g/10g; nhiệt độ nung thời gian nung 600°C h Kết nghiên cứu cho thấy, điều kiện phù hợp cho trình xử lý AP bao gồm pH, hàm lượng H2O2, hàm lượng xúc tác tương ứng 3; 0,5mL/L 1,2 g/L, khoảng 95 % AP xử lý thời gian 120 phút Quá trình phân hủy AP kỹ thuật Fenton dị thể tn theo mơ hình động học bậc hai, với số tốc độ phản ứng 0.0061 L.mg-1.min-1 lượng hoạt hóa 17.6 kJ/mol Từ khóa: Tro bay, Fenton dị thể, Ampicillin sử dụng rộng rãi người thú y Dư lượng ampicillin nước thải sinh hoạt, đặc biệt nước thải bệnh viện, giải pháp xử lý, phân hủy, loại bỏ chúng vấn đề có vai trị đặc biệt quan trọng dành quan tâm đông đảo nhà khoa học ngồi nước Các q trình oxi hóa tăng cường (AOPs) tiến hành sở khả oxi hóa hợp chất hữu gốc OH, O2H, cho phép phân hủy hợp chất hữu giảm nhu cầu oxi hóa nước thải Trong q trình oxi hóa tăng cường, q trình Fenton biết đến với ưu điểm mặt kinh tế khả xử lý nước thải cách triệt để Nghiên cứu Emad Elmolla Malay Chaudhuri cho thấy, điều kiện tối ưu hệ xúc tác H2O2-Fe2+ có tốc độ MỞ ĐẦU Ngày nay, phát triển cơng nghiệp nói chung, cơng nghiệp dược phẩm nói riêng đem đến đổi thay kỳ diệu chất lượng sống người Từ đời, kháng sinh cho thấy tầm quan trọng đời sống, việc bảo vệ, chăm sóc sức khỏe người nhiều loài sinh vật khác Tuy nhiên, phát triển ạt sử dụng tràn lan loại kháng sinh dẫn tới hệ lụy mơi trường nhiễm, nhiều lồi vi sinh vật mơi trường dần thích nghi với loại kháng sinh, từ dẫn tới tượng kháng kháng sinh nguy hiểm Ampicillin loại kháng sinh bán tổng hợp có tính chất kháng khuẩn tồn vòng betalactam Ở Việt Nam, loại kháng sinh 87 vòng/phút gia nhiệt đến 100 oC để đuổi nước Hỗn hợp rắn thu sau nước bay hoàn toàn nung 600 oC để thu mẫu tro tính 2.3 Xác định đặc trưng vật liệu Đặc trưng hình thái vật liệu chụp thiết bị kính hiển vi điện tử quét JEOL, Nhật Bản Đặc trưng thành phần vật liệu cấu trúc tinh thể xác định thiết bị EDX (JED2300, JEOL, Nhật Bản) XRD X’Pert PRO (Panalitical, Hà Lan) 2.4 Quá trình phân hủy AP nước kỹ thuật Fenton dị thể Cho lượng tro tính vào dung dịch AP nồng độ 25 mg/L điểu chỉnh pH axit H2SO4 NaOH Bổ sung dung dịch H2O2 30% vào dung dịch trên, khuấy với tốc độ 150 vòng/phút thời gian 120 phút Hỗn hợp sau xử lý trung hòa dung dịch NaOH 40% giá trị pH = 7, sau lọc tách bùn thải Xác định hàm lượng AP dung dịch trước sau xử lý phương pháp đường chuẩn nhờ thiết bị UV-Vis Spectrophotometer HACH DR6000 Hiệu suất xử lý tính cơng thức: phân hủy nhanh ampicillin, hiệu loại bỏ COD tới 81,4% sau 60 phút [1] Trong lĩnh vực xử lý nước thải nay, trình Fenton dị thể nghiên cứu ứng dụng ngày rộng rãi Cùng với phát triển kỹ thuật Fenton dị thể loại chất xúc tác tìm đưa vào sử dụng, phải kể đến xúc tác tro bay Tro bay (FA) loại bụi tạo từ trình đốt than nhà máy nhiệt điện thải môi trường Theo Bộ Công thương, nước ta có 19 nhà máy nhiệt điện than vận hành, với tổng công suất phát 14.480 MW, năm thải khoảng 15 triệu tro, xỉ Trong đó, lượng tro bay chiếm khoảng 75%, lại xỉ than Dự kiến sau năm 2020, số 43 nhà máy với tổng công suất 39.020 MW, lượng tro xỉ thải dự kiến 30 triệu tấn/năm Lượng tro xỉ thải tích trữ bãi chứa, hồ chứa từ nhiều năm lớn, đặt yêu cầu cấp thiết phải có giải pháp xử lý đồng Trong năm gần đây, vấn đề tái chế tro bay nghiên cứu ứng dụng nhiều lĩnh vực khác như: làm phụ gia ngành vật liệu xây dựng, chế tạo zeolit từ tro bay ứng dụng xử lý môi trường (hấp thụ kim loại nặng chất thải rắn), tro tính sử dụng làm chất xúc tác cho phản ứng Fenton dị thể ứng dụng xử lý nước thải… Trong cơng trình này, tro tính sử dụng chất xúc tác Fenton dị thể cho mục đích phân hủy AP nước Các đặc trưng vật liệu xúc tác trước sau biến tính xác định số kỹ thuật đại, ảnh hưởng số yếu tố quan trọng tới hiệu phân hủy AP khảo sát, thảo luận tối ưu THỰC NGHIỆM 2.1 Hóa chất Kháng sinh Ampicillin AR, H2O2 30% AR, Fe2(SO4)3 AR, NaOH AR, H2SO4 AR Tro bay lấy từ nhà máy Nhiệt điện Phả Lại, Chí Linh, tỉnh Hải Dương 2.2 Biến tính tro bay Tro bay biến tính muối Fe2(SO4)3 theo phương pháp ngâm tẩm Hòa tan 2.5g Fe2(SO4)3 50 mL nước cất Sau cho thêm 10g tro bay vào dung dịch trên, khuấy với tốc độ 150 H % = Co C 100 Co Trong đó, H (%) hiệu suất xử lý, Co C tương ứng hàm lượng AP dung dịch trước sau xử lý KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Đặc trưng vật liệu trước sau biến tính Hình thái vật liệu trước sau biến tính (Hình 1) cho thấy mẫu tro bay sau biến tính có thay đổi rõ rệt màu sắc, màu xám mẫu tro bay trước biến tính màu đỏ mẫu sau biến tính Sự thay đổi màu sắc giải thích hình thành lượng lớn Fe2O3 sau biến tính tro bay nhiệt độ cao thời gian dài (600 oC, giờ) Đặc trưng bề mặt mẫu tro bay trước sau biến tính chụp kính hiển vi điện tử qt (Hình 2) cho thấy, mẫu tro bay trước sau biến tính bao gồm chủ yếu hạt có dạng hình cầu với kích thước khơng đồng Bề mặt hạt mẫu tro bay 88 trước biến tính trơn nhẵn, bề mặt hạt mẫu tro bay sau biến tính nhám xốp nhiều Kết phân tích EDX (Hình 3) rằng, thành phần mẫu tro bay trước sau biến tính chủ yếu chứa kim loại Fe, Al, Si, Ti, Mg Ca Đối chiếu phổ EDX hai mẫu cho thấy tăng cường tín hiệu tán xạ kim loại Fe (pic FeKa FeKb) chứng tỏ hàm lượng Fe mẫu tro tính tăng lên đáng kể so với mẫu trước biến tính Các tín hiệu tán xạ cịn lại kim loại khác ổn định, có thay đổi hai mẫu Giản đồ XRD mẫu tro bay trước biến tính (Hình 4) xuất tín hiệu phản xạ Mullite Al5Si2O10, Antigorite Mg24Si17O43(OH)31 Quartz SiO2 Giản đồ XRD mẫu tro bay sau biến tính (Hình 5) khơng cịn xuất tín hiệu Antigorite, thay vào xuất hai tín hiệu phản xạ Alunogen Al2(SO4)3.17H2O Hematite Fe2O3 Sự xuất tín hiệu phản xạ Fe2O3 với cường độ mạnh mẫu tro bay sau biến tính cho thấy thành phần mẫu bổ sung lượng sắt đáng kể, kết hoàn toàn phù hợp với kết phân tích thành phần tro bay trước sau biến tính phổ EDX Ngồi ra, phổ XRD mẫu tro bay sau biến tính khơng ghi nhận xuất dạng tồn khác sắt chứng tỏ sắt mẫu tro bay hoàn toàn dạng Hematite Hình Ảnh SEM mẫu tro bay trước biến tính (a) sau biến tính (b) (b) Hình Phổ EDX mẫu tro bay trước biến tính (a) sau biến tính (b) Hình Hình dạng ngoại mẫu tro bay trước biến tính (a) sau biến tính (b) 89 Hình Ảnh hưởng pH Kết thực nghiệm Hình rằng, AP phân hủy tốt pH giảm xuống giá trị pH cao 3, điều giảm lượng sắt (III) hòa tan làm giảm tốc độ hình thành gốc hydroxyl Ở giá trị pH thấp (pH 1-2), H2O2 phản ứng với proton tồn dạng solvat hóa H3O2+, gốc hydroxyl tự phản ứng với H+ dẫn đến làm giảm hiệu suất xử lý [2]: Hình Phổ XRD mẫu tro bay trước biến tính H2O2 + H+ H3O2 OH + H + e H2O Khi pH tăng, H2O2 bị phân hủy tạo O2 H2O ion Fe3+ bị kết tủa lại phần khiến hiệu suất trình xử lý giảm: 2H2O2 O2 + 2H2O Fe3+ + 3OH Fe OH3 3.2.2 Ảnh hưởng hàm lượng H2O2 Hàm lượng H2O2 thơng số quan trọng Hình Phổ XRD mẫu tro bay sau biến tính nguồn tạo gốc hydroxyl OH Kết thí nghiệm (Hình 7) cho thấy, hiệu suất xử lý tăng lên tăng lượng H2O2 đạt cực đại nồng độ H2O2 0,5 mL/L Khi tiếp tục tăng hàm lượng H2O2 hiệu suất phân hủy có xu hướng giảm xuống Điều giải thích q trình tự phân hủy H2O2 thành oxi nước, đồng thời làm 3.2 Nghiên cứu ảnh hưởng yếu tố đến hiệu suất xử lý AP 3.2.1 Ảnh hưởng pH Trong kỹ thuật Fenton, giá trị pH có ảnh hưởng đến q trình sinh gốc hydroxyl, đó, ảnh hưởng đến hiệu q trình oxi hóa Ảnh hưởng pH tiến hành khoảng pH từ 1-5, điều kiện cố định hàm lượng xúc tác, hàm lượng H2O2 tương ứng g/L 0,6 mL/L giảm số lượng gốc phản ứng sau: 90 OH H2O2 [3] theo 3.3 Động học trình xử lý Trong nghiên cứu này, động học trình phân hủy kháng sinh AP khảo sát theo mơ hình bậc bậc hai Phương trình động học bậc có dạng: 2H O 2H O + O H O + OH H O + HO 2 HO 2 + OH H O + O OH + OH H O lnCt = lnC - kt Ngồi ra, H2O2 dư phản ứng với ion sắt để tạo thành gốc hydroperoxyl [3] phản ứng: Fe3+ + H2O2 Fe2+ + HO2 + H+ Phương trình động học bậc hai có dạng: 1 + kt Ct C đó, C0 Ct tương ứng nồng độ AP trước sau xử lý t phút; k số tốc độ phản ứng Khảo sát trình phân hủy kháng sinh AP giá trị nhiệt độ khác 20, 30, 40 50 o C Kết Hình 10 cho thấy, trình phân hủy AP tn theo mơ hình động học bậc có hệ số xác định R2 lớn so với trường hợp mơ hình bậc giá trị nhiệt độ tiến hành phản ứng Hình Ảnh hưởng hàm lượng H2O2 3.2.3 Ảnh hưởng hàm lượng xúc tác Ảnh hưởng hàm lượng xúc tác khảo sát khoảng 0,6 - 1,4 g/L, điều kiện cố định giá trị pH hàm lượng H2O2 tương ứng 0,5 mL/L Kết thực nghiệm (Hình 8) ra, hiệu suất phân hủy AP tăng lên tăng lượng xúc tác tro bay sử dụng gia tăng vị trí hoạt động để tạo gốc hydroxyl tự do, trình tăng đạt cực đại hàm lượng xúc tác 1,2 g/L Khi tiếp tục tăng hàm lượng xúc tác lên 1,4 g/L hiệu suất xử lý giảm, điều giải thích lượng Fe3+ dư tác dụng với gốc tự có dung dịch: Hình Mơ hình động học bậc Fe 3+ + HO 2 Fe 2+ + H + + O Fe 2+ + OH Fe 3+ + OH - Hình 10 Mơ hình động học bậc Hình Ảnh hưởng lượng tro bay 91 Hằng số tốc độ phản ứng giá trị nhiệt độ 20, 30, 40 50 oC 0,0043 (R2 = 0,9247), 0,0061 (R2 = 0,9779), 0,0071 (R2 = 0,9846) 0,0082 L.mg-1.phút-1 (R2 = 0,986) Dựa vào kết tính lượng hoạt hóa phản ứng phương trình Arrheniuss: Nghiên cứu tài trợ Đại học Quốc gia Hà Nội đề tài mã số QG.18.08 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Emad Elmolla, Malay Chaudhuri “Degradation of the antibiotics amoxicillin, ampicillin and cloxacillin in aqueous solution by the photo-Fenton process”, Journal of Hazardous Materials 172 (2009), 1476-1481 [2] Sun J.H, Sun S.P, Wang G.L, Qiao L.P “Degradation of azo dye Amido Black 10B in aqueous solution by Fenton oxidation process”, Dyes and Pigments 74 (2007), 647-652 [3] Hassan H.H, Hameed B.H “Fe-clay as effective heterogeneous Fenton catalyst for the decolorization of Reactive Blue 4”, Chemical Engineering Journal 171 (2011), 912-918 [4] Payal Chandan, Lisa Richburg, Saloni Bhatnagar “Impact of fly ash on Ampicilline degradation during CO2 capture”, International Journal of Greenhouse Gas Control 25 (2008), 102-108 [5] Che Nurjulaikha Haji Che Maszelan, Azizul Buang “Ampicilline (APM) Wastewater Treatment using Photo-Fenton Oxidation”, Applied Mechanics and Materials 625 (2014), 792-795 [6] Emad Elmolla, Malay Chaudhuri “Optimization of Fenton process for treatment of amoxicillin, ampicillin and cloxacillin antibiotics in aqueous solution”, Journal of Hazardous Materials 170 (2009) 666-672 [7] Dao Sy Duc “Properties of Fly Ash from a Thermal Power Plant in Vietnam”, International Journal of ChemTech Research (2014), 2656-2659 [8] Dao Sy Duc “Degradation of Reactive Blue 181 dye by heterogeneous Fenton technique using modified fly ash”, Asian Journal of Chemistry 25 (2013), 4083-4086 [9] Andrew J Sexton and Gary T Rochell “Reaction Products from the Oxidative Degradation of Ampicilline”, Industrial & Engineering Chemistry Research (2011), 667–677 [10] Puddoo, H., Nithyanandam, R & Nguyenhuynh, T “Degradation of the antibiotic ceftriaxone by Fenton oxidation ln kt ln k0 Ea /RT Trong đó, kt số tốc độ nhiệt độ T; Ea - lượng hoạt hóa, J/mol; R - số khí lý tưởng, J/mol.K T - nhiệt độ tuyệt đối, K Đồ thị phụ thuộc tuyến tính có hệ số góc ln k vào 1/T Ea /R hệ số xác định R2 = 0,945 (Hình 11) Từ xác định lượng hoạt hóa 17,6 kJ/mol Hình 11 Đồ thị lnK - 1/T KẾT LUẬN Bằng phương pháp ngâm tẩm dung dịch muối sắt (III) sunfat, tro bay biến tính thành công thành vật liệu xúc tác Fenton dị thể cho trình phân hủy kháng sinh Ampicillin nước với hiệu suất xử lý cao Ở điều kiện phù hợp pH, hàm lượng hydropeoxit, hàm lượng xúc tác tương ứng 3; 0,5 mL/L 1,2 g/L, khoảng 95 % lượng AP bị phân hủy sau thời gian xử lý 120 phút Quá trình phân hủy AP kỹ thuật Fenton dị thể tn theo mơ hình động học bậc với số tốc độ phản ứng 0.0061 L.mg-1.phút-1 30 oC lượng hoạt hóa Ea = 17,6 kJ/mol LỜI CẢM ƠN 92 process and compound analysis”, Journal of Physical Science 28 (2017), 95-114 [11] Ershadi Afshar, L., Chaibakhsh, N., & Moradi-Shoeili, Z “Treatment of wastewater containing cytotoxic drugs by CoFe2O4 nanoparticles in Fenton/ozone oxidation process”, Separation Science and Technology (2018), 1-12 [12] Elkacmi R & Bennajah M “Advanced oxidation technologies for the treatment and detoxification of olive mill wastewater”, Journal of Water Reuse and Desalination (2019), 463-505 [13] Meng-hui Zhang, Hui Dong, Liang Zhao, De-xi Wang , Di Meng “A review on Fenton process for organic wastewater treatment based on optimization perspective”, Science of the Total Environment 670 (2019), 110-121 _ ẢNH HƯỞNG CỦA PHÂN BÓN NANO KẼM OXIT Tiếp theo Tr 81 Lê Quý Kha (2013) Hướng dẫn khảo sát, so sánh khảo nghiệm giống ngô lai NXB Khoa học Kỹ thuật QCVN 01-56: 2011/BNNPTNT, quy chuẩn kỹ thuật quốc gia Về khảo nghiệm giá trị canh tác sử dụng giống ngô Farzad Aslani, Samira Bagheri, Nurhidayatullaili Muhd Julkapli, Abdul Shukor Juraimi,1 Farahnaz Sadat Golestan Hashemi, and Ali Baghdadi (2014), “Effects of Engineered Nanomaterials on Plants Growth: An Overview”, The Scientific World Journal, Article ID 641759, 28 pages http://dx.doi.org/10.1155/2014/641759 10 Amin Farnia, Saeed Khodabandehloo (2015), “Changes in Yield and its Components of Maize (Zea mays L.) to Foliar Application of Zinc Nutrient and Mycorrhiza under Water Stress Condition”, International Journal of Life Sciences (5), 75 – 80 11 Dhoke SK, Mahajan P, Kamble R, Khanna A (2013), “Effect of nanoparticles suspension on the growth of mung (Vigna radiata) seedlings by foliar spray method”, Nanotechnol Dev 3(1) 12 Oprisan MU, Ecaterina F, Dorina C, Ovidiu C (2011), “Sunflower chlorophyll levels after magnetic nanoparticle supply” Afric J of Biotech 10(36), 7092–7092 93 ... thải rắn), tro tính sử dụng làm chất xúc tác cho phản ứng Fenton dị thể ứng dụng xử lý nước thải… Trong cơng trình này, tro tính sử dụng chất xúc tác Fenton dị thể cho mục đích phân hủy AP nước... trước sau biến tính Hình thái vật liệu trước sau biến tính (Hình 1) cho thấy mẫu tro bay sau biến tính có thay đổi rõ rệt màu sắc, màu xám mẫu tro bay trước biến tính màu đỏ mẫu sau biến tính Sự... Bề mặt hạt mẫu tro bay 88 trước biến tính trơn nhẵn, bề mặt hạt mẫu tro bay sau biến tính nhám xốp nhiều Kết phân tích EDX (Hình 3) rằng, thành phần mẫu tro bay trước sau biến tính chủ yếu chứa