Nghiên cứu tổng hợp vật liệu cds nano bằng hệ thống điện sinh học nhằm tái thu hồi kim loại nặng ( luận văn thạc sĩ chuyên ngành công nghệ sinh học)

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM LÂM THƯƠNG THƯƠNG NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU CdS NANO BẰNG HỆ THỐNG ĐIỆN SINH HỌC NHẰM TÁI THU HỒI KIM LOẠI NẶNG Chuyên ngành: Công nghệ sinh học Mã ngành: 8420201 Người hướng dẫn khoa học: TS Hồ Tú Cường PGS TS Nguyễn Văn Giang NHÀ XUẤT BẢN HỌC VIỆN NƠNG NGHIỆP - 2019 LỜI CAM ĐOAN Tên tơi Lâm Thương Thương, học viên cao học ngành Công nghệ Sinh học, khóa 2018 - 2019 Tơi xin cam đoan luận án thạc sỹ “Nghiên cứu tổng hợp vật liệu CdS nano hệ thống điện sinh học nhằm tái thu hồi kim loại nặng ” cơng trình nghiên cứu riêng tơi, cơng trình tơi thực hướng dẫn khoa học TS Hồ Tú Cường PGS.TS Nguyễn Văn Giang Các số liệu, kết trình bày luận án hồn tồn thu từ thực nghiệm, trung thực khơng chép Mọi giúp đỡ cảm ơn Mọi thơng tin trích dẫn rõ nguồn gốc Hà Nội, ngày tháng năm 20 Tác giả luận văn Lâm Thương Thương i LỜI CẢM ƠN Trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu hồn thành luận văn, tơi nhận hướng dẫn, bảo tận tình thầy giáo, giúp đỡ, động viên bạn bè, đồng nghiệp gia đình Nhân dịp hồn thành luận văn, cho phép tơi bày tỏ lịng kính trọng biết ơn sâu sắc tới TS Hồ Tú Cường – Phó trưởng phịng Vi sinh vật Mơi trường – Viện Cơng nghệ Môi trường – Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam, PGS TS Nguyễn Văn Giang – Bộ môn Công nghệ Vi sinh – Khoa Công nghệ Sinh học – Học viện Nông nghiệp Việt Nam Các thầy hướng dẫn tơi tận tình suốt q trình thực đề tài Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành tới Ban Giám đốc, Ban Quản lý đào tạo, Bộ môn Công nghệ Vi sinh, Khoa Công nghệ Sinh học - Học viện Nông nghiệp Việt Nam tận tình giúp đỡ tơi q trình học tập, thực đề tài hoàn thành luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể lãnh đạo, cán viên chức phịng Vi sinh vật Mơi trường – Viện Công nghệ Môi trường – Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam giúp đỡ tạo điều kiện cho suốt trình thực đề tài Xin chân thành cảm ơn gia đình, người thân, bạn bè, đồng nghiệp tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ mặt, động viên khuyến khích tơi hồn thành luận văn Một lần xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới quỹ phát triển khoa học công nghệ quốc gia (NAFOSTED) hỗ trợ thực hoàn thành luận văn Luận văn thực khuôn khổ đề tài nghiên cứu quỹ NAFOSTED triển khai với mã số đề tài 104.03-2016.45./ Hà Nội, ngày tháng năm 20 Tác giả luận văn Lâm Thương Thương ii MỤC LỤC Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Mục lục iii Danh mục chữ viết tắt v Danh mục bảng vi Danh mục hình, biểu đồ vii Trích yếu luận văn viii Thesis abstract ix Phần Mở đầu 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục đích nghiên cứu Phần Tổng quan tài liệu 2.1 Vấn đề ô nhiễm cadimi 2.2 cấu trúc thuộc tính đặc trưng vật liệu CDS 2.2.1 Các dạng cấu trúc tinh thể 2.2.2 Một số tính chất đặc biệt vật liệu CDS nano 2.2.3 Các phương pháp chế tạo hạt CDS nano 2.3 Các hệ thống điện sinh học (bioelectrochemical systems - BESS) 2.3.1 Giới thiệu tổng quát hệ thống điện sinh học 2.3.2 Vi sinh vật sử dụng hệ thống BES 2.3.3 Ứng dụng hệ thống điện sinh học thu hồi kim loại nặng 11 Phần Vật liệu phương pháp 14 3.1 Lựa chọn thiết kế tối ưu cho hệ thống bes điều kiện thí nghiệm 14 3.1.1 Thiết kế hệ thống BES 14 3.1.2 Điều kiện thí nghiệm 14 3.2 Môi trường nuôi cấy chủng vi sinh vật 14 3.2.1 Chuẩn bị vi khuẩn 14 3.2.2 Môi trường khoang anot 15 3.2.3 Môi trường khoang catot 16 3.3 Tiến hành thí nghiệm phân tích 16 iii 3.4 Phân tích mẫu 17 3.4.1 phương pháp xác định mật độ tế bào, PH mơi trường nồng độ lactat cịn lại môi trường nuôi cấy 17 3.4.2 Phương pháp phân tích phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) xác định nồng độ ion CD mẫu 17 3.4.3 Phương pháp nghiên cứu cấu trúc, hình thái học tính chất vật liệu 18 Phần Kết thảo luận 23 4.1 Thiết kế hệ thống BES 23 4.2 Nghiên cứu biến động khoang anot 25 4.2.1 Sự thay đổi mật độ tế bào khoang anot 25 4.2.2 Tốc độ tiêu thụ lactat khoang anot 27 4.2.3 Sự thay đổi ph khoang anot 28 4.3 Nghiên cứu biến động khoang catot 29 4.3.1 Sự suy giảm nồng độ ion cd2+ dung dịch catot 29 4.3.2 Đặc trưng hình thái, cấu trúc tính chất hạt cds hình thành khoang catot 33 Phần Kết luận kiến nghị 37 5.1 Kết luận 36 5.2 Kiến nghị 36 Tài liệu tham khảo 38 iv DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Nghĩa tiếng Anh Nghĩa Tiếng Việt AAS Atomic absorption spectroscopy Phổ hấp thụ nguyên tử BES Bioelectrochemical system Hệ thống điện sinh học CdS-NPs Cadmium sulfur nanoparticles Hạt CdS nano EDX Energy-dispersive X-ray Phổ tán sắc lượng tia X spectroscopy EET Extracellular electron transfer Chuyển điện tử ngoại bào HPLC High performance chromatography MFC Microbial fuel cell Pin nhiên liệu vi sinh vật MEC Microbial electrolysis cell Hệ điện li vi sinh vật QCVN - Quy chuẩn kỹ thuật QDs Quantum dots Chấm lượng tử SAED Selected area electron diffraction Nhiễu xạ điện tử lựa chọn vùng SEM Scanning electron microscopy Hiển vi điện tử quét TEM Transmittion microscopy XRD X-ray diffraction liquid Sắc kí lỏng hiệu cao electron Hiển vi điện tử truyền qua Nhiễu xạ tia X v DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1 Khả thu hồi kim loại nặng công nghệ BES 12 Bảng 3.1 Các dung dịch khống gốc dùng để chuẩn bị mơi trường ni cấy vi khuẩn khoang Anot 15 Bảng 3.2 Thành phần dung dịch khống vi lượng để chuẩn bị mơi trường nuôi cấy vi khuẩn khoang Anot 15 Bảng 3.3 Thành phần môi trường lỏng dùng cho khoang Anot 16 vi DANH MỤC HÌNH, BIỂU ĐỒ Hình 4.1 Hệ thống điện sinh học có điện cực dương kị khí 24 Hình 4.2 Hệ thống điện sinh học có khoang điện cực dương hiếu khí 25 Hình 4.3 Mật độ vi khuẩn khoang cực âm hệ thống BES1, BES2, BES3 BES ĐC ngày thí nghiệm 26 Hình 4.4 Màng sinh học vi khuẩn Shewanella sp HN-41 hình thành vách ngăn cao su (A) hệ thống BES4, (B) hệ thống BES5 sau kết thúc thí nghiệm 27 Hình 4.5 Mật độ vi khuẩn khoang cực âm hệ thống BES4 BES5 14 ngày thí nghiệm 27 Hình 4.6 Sự thay đổi hàm lượng lactat khoang điện cực âm ngày thí nghiệm 28 Hình 4.7 Sự thay đổi pH khoang anot hệ BES, (A) hệ thống BES ĐC, 1, 3; (B) BES4 BES5 29 Hình 4.8 Nồng độ ion Cd2+ cịn lại mẫu thu hệ BES1, BES2 BES3 thời điểm ngày 0, 2, 4, 30 Hình 4.9 Sự thay đổi nồng độ Cd2+ khoang cực dương hệ thống BES có catot-hiếu khí 32 Hình 4.10 Sự thay đổi màu dung dịch Catot với hệ BES đối chứng (A); Hệ BES2 (B); Hệ BES3 (C) ngày thứ 14 thí nghiệm 32 Hình 4.11 Các đặc trưng hình thái hạt CdS (A) Ảnh kính hiển vi điện tử truyền qua ảnh nhiễu xạ điện tử (TEM/SEAD)của hạt nano Cd với mẫu thu ngày 21 (B) Ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM) hạt CdS mẫu ngày 28 33 Hình 4.12 Phổ tán sắc lượng tia X 34 Hình 4.13 Bản đồ phân bố nguyên tố mẫu vật loại bỏ nguyên tố C O 34 Hình 4.14 Giản đồ nhiễu xạ tia X (A) Giản đồ nhiễu xạ tia X vật liệu CdS thu (B) Giản đồ nhiễu xạ tia X tinh thể CdS kích thước~30 Å, ~20 Å ~15 Å từ xuống 35 Hình 4.15 Phổ UV-Vis vật liệu Nano CdS dải bước sóng 200-700 nm 36 vii TRÍCH YẾU LUẬN VĂN Tên tác giả: Lâm Thương Thương Tên Luận văn: Nghiên cứu tổng hợp vật liệu CdS nano hệ thống điện sinh học nhằm tái thu hồi kim loại nặng Ngành: Công nghệ sinh học Mã số: 8420201 Tên sở đào tạo: Học viện Nông nghiệp Việt Nam Mục đích nghiên cứu - Xây dựng hệ thống điện sinh học để tái thu hồi kim loại nặng dạng vật liệu nano - Tổng hợp vật liệu nano CdS có kích thước nhỏ với chi phí thấp Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu gồm nội dung: thiết kế hệ thống điện sinh học (Bioelectrochemical systems – BES) đơn giản, ưu tiên sản sinh dòng điện thấp chế tạo hạt CdS nano; khảo sát biến động mật độ tế bào, pH môi trường khả tiêu thụ chất lactat khoang anot hệ thống BES; nghiên cứu khả loại bỏ ion Cd (II) dạng tủa CdS đặc tính hình thái, kích thước cấu trúc vật liệu CdS nano tổng hợp khoang catot hệ BES Các phương pháp sử dụng để xác minh vật liệu nano bao gồm phân tích hiển vi điện tử quét (SEM), hiển vi điện tử truyền qua (TEM), phổ tán sắc lượng tia X (EDX), phổ nhiễu xạ tia X (XRD) phổ hấp thụ tử ngoại (UV-Vis) Đồng thời khả tiêu thụ chất khoang anot đánh giá thông qua phân tích HPLC Nồng độ ion dung dịch khoang catot phân tích theo phương pháp phân tích phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) Kết kết luận - Nhóm nghiên cứu thiết kế vận hành thành công hệ thống điện sinh học đơn giản, thích hợp cho việc tổng hợp vật liệu nano CdS - Cơ chất lactat khoang Anot hệ thống thí nghiệm bị tiêu thụ hết ngày thí nghiệm, pH khoang Anot sử dụng đệm HEPES ổn định pH 7.4 - Hệ thống BES – catot hiếu khí vận hành thành cơng cho sản phẩm hạt nano CdS với kích thước trung bình xấp xỉ 10,82 nm; hạt vật liệu thu có tính chất lượng tử đặc trưng nhóm vật liệu bán dẫn viii THESIS ABSTRACT Master candidate: Lam Thuong Thuong Thesis title: Study on synthesis of CdS nanoparticles by using bioelectrochemical system for recovering heavy metal Major: Biotechnology Code: 8420201 Educational organization: Vietnam National University of Agriculture (VNUA) Research Objectives - Designing Bioelectrochemical systems (BESs) for recovering heavy metals in nanoparticle forms - Syntheszing small size CdS nanomaterials with low cost Materials and Methods The study covers the following: Designing simple BESs, prioritizing low current generation in synthesizing CdS nanoparticles; variation of OD, pH, and lactate concentration at anode chambers; studying on removing Cd(II) ion as CdS precipitate and characteristics of morphology, size and structure of nano CdS material synthesized at the cathode chamber of BESs Formation of CdS nanoparticles was confirmed by scanning electron microscopy (SEM) analysis, transmission electron microscopy (TEM), X-ray energy dispersion spectroscopy (EDX), diffraction spectra X (XRD) and ultraviolet absorption spectrum (UV-Vis) At the same time, the ability of cells to consume substrates at the anode chamber was measured by HPLC analysis The Cd (II) ion concentration at the cathodic solution was analyzed by atomic absorption spectrometry (AAS) Main findings and conclusions - The research team has designed and successfully operated a simple bioelectrochemical system for the synthesis of CdS nanomaterials - The lactate substrate at the Anot chamber of the BES was consumed in within days, the pH at the Anot chamber is stable at pH 7.4 due to using of HEPES buffer - The CdS nanoparticles were successfully synthesized with an average size of approximately 10.82 nm by the aerobic cathode BES; the material shows quantum features of semiconductor material ix ... Thương, học viên cao học ngành Cơng nghệ Sinh học, khóa 2018 - 2019 Tôi xin cam đoan luận án thạc sỹ ? ?Nghiên cứu tổng hợp vật liệu CdS nano hệ thống điện sinh học nhằm tái thu hồi kim loại nặng. .. vật liệu Nano CdS dải bước sóng 200-700 nm 36 vii TRÍCH YẾU LUẬN VĂN Tên tác giả: Lâm Thương Thương Tên Luận văn: Nghiên cứu tổng hợp vật liệu CdS nano hệ thống điện sinh học nhằm tái thu hồi. .. hồi kim loại nặng Ngành: Công nghệ sinh học Mã số: 8420201 Tên sở đào tạo: Học viện Nơng nghiệp Việt Nam Mục đích nghiên cứu - Xây dựng hệ thống điện sinh học để tái thu hồi kim loại nặng dạng vật