Đang tải... (xem toàn văn)
Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu chế tạo một bước vật liệu tổ hợp cấu trúc nano than trấu/Fe3O4 (RHF) bằng phương pháp đồng kết tủa có sự hỗ trợ của siêu âm ứng dụng hấp phụ xử lý kháng sinh Sulfamethoxazole (SMX) trong nước. Đặc trưng hình thái học bề mặt, tính chất từ và cấu trúc của vật liệu RHF được khảo sát bằng các phương pháp kính hiển vi điện tử quét, kính hiển vi điện tử truyền qua, từ độ bão hòa, nhiễu xạ tia X. Khả năng ứng dụng của RHF được thử nghiệm qua việc loại bỏ SMX trong nước sử dụng phương pháp hấp phụ. Các kết quả nhận được cho thấy tiềm năng sử dụng vật liệu RHF vào xử lý SMX cũng như các thuốc kháng sinh trong nước thải thực tế.
TNU Journal of Science and Technology 226(11): 365 - 370 ONE-STEP SYNTHESIS OF RICE HUSK CHAR/Fe3O4 NANOCOMPOSITES USING ULTRASONIC –ASSITED CO-PRECIPITATION METHOD AND ITS ORIENTED APPLICATIONS FOR REMOVAL OF SULFAMETHOXAZOLE IN AQUEOUS SOLUTION Tran Quoc Toan1, Tran Kim Ngan1, Mai Thi Phuong Ly2, Tran Thi Phuong Anh2, Nguyen Thi Mai3,4, Ha Xuan Linh2* 1TNU 3VNU - University of Education, 2TNU - International School, - University of Science, 4TNU - University of Agriculture and Forestry ARTICLE INFO Received: 12/8/2021 Revised: 31/8/2021 Published: 31/8/2021 KEYWORDS Antibiotics Sulfamethoxazole Rice husk char Nano Fe3O4 Adsorption ABSTRACT This paper showed the results of one-step fabrication of rice husk char/Fe3O4 (RHF) nanocomposite using ultrasonic-assited coprecipitattion method for application of sulfamethoxazole (SMX) antibiotic treatment in aqueous environment The characteristics of surface, structure and magnetization properties of RHF were examined using scanning electron microscope (SEM), transmission electron microscope (TEM), saturation magnetization and X-ray diffraction Application ability of RHF was also investigated by the removal of SMX in aqueous solution using adsorption method The obtained results exhibited the applied potential of RHF for treatment of SMX as well as other antibiotics in actual wastewater CHẾ TẠO MỘT BƯỚC VẬT LIỆU TỔ HỢP CẤU TRÚC NANO THAN TRẤU/Fe3O4 BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG KẾT TỦA CÓ SỰ HỖ TRỢ CỦA SIÊU ÂM VÀ THĂM DÒ ỨNG DỤNG XỬ LÝ KHÁNG SINH SULFAMETHOXAZOLE TRONG NƯỚC Trần Quốc Toàn1, Trần Kim Ngân1, Mai Thị Phương Ly2, Trần Thị Phương Anh2, Nguyễn Thị Mai3,4, Hà Xuân Linh2* 1Trường Đại học Sư phạm - ĐH Thái Nguyên, 2Khoa Quốc Tế - ĐH Thái Nguyên Đại học Khoa học Tự nhiên - ĐH Quốc gia Hà Nội 4Trường Đại học Nông Lâm - ĐH Thái Nguyên 3Trường THÔNG TIN BÀI BÁO Ngày nhận bài: 12/8/2021 Ngày hồn thiện: 31/8/2021 Ngày đăng: 31/8/2021 TỪ KHĨA Kháng sinh Sulfamethoxazol Than trấu Nano Fe3O4 Hấp phụ TÓM TẮT Bài báo trình bày kết nghiên cứu chế tạo bước vật liệu tổ hợp cấu trúc nano than trấu/Fe3O4 (RHF) phương pháp đồng kết tủa có hỗ trợ siêu âm ứng dụng hấp phụ xử lý kháng sinh Sulfamethoxazole (SMX) nước Đặc trưng hình thái học bề mặt, tính chất từ cấu trúc vật liệu RHF khảo sát phương pháp kính hiển vi điện tử quét, kính hiển vi điện tử truyền qua, từ độ bão hòa, nhiễu xạ tia X Khả ứng dụng RHF thử nghiệm qua việc loại bỏ SMX nước sử dụng phương pháp hấp phụ Các kết nhận cho thấy tiềm sử dụng vật liệu RHF vào xử lý SMX thuốc kháng sinh nước thải thực tế DOI: https://doi.org/10.34238/tnu-jst.4884 * Corresponding author Email: haxuanlinh@tnu.edu.vn http://jst.tnu.edu.vn 365 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 226(11): 365 - 370 Mở đầu Ngày nay, ô nhiễm nước chất kháng sinh trở thành nỗi lo lắng toàn cầu gia tăng dư lượng kháng sinh nước [1] Sulfamethoxazole (SMX) kháng sinh thuộc nhóm sulfonamide sử dụng rộng rãi để điều trị bệnh nhiễm trùng cho người động vật Ngồi ra, sử dụng cho phụ gia thức ăn chăn nuôi để thúc đẩy tốc độ tăng trưởng cân nặng động vật [2] Do đó, loại bỏ SMX yêu cầu thiết nhà mơi trường, dư lượng SMX nước gây kháng kháng sinh, gây siêu vi khuẩn gây hại cho người động vật [3]-[5] Nhiều kỹ thuật phát triển sử dụng để loại bỏ kháng sinh, màng sinh học, phân hủy quang xúc tác, oxy hóa nâng cao hấp phụ [6]-[8] Trong đó, hấp phụ sử dụng than hoạt tính hay vật liệu oxit kim loại có cấu trúc nano tổ hợp chúng TiO2/(CNT, ZnO, SiO2); TiO2, WO3 thường hay sử dụng nhiều hiệu xử lý cao, chi phí thấp thân thiện với môi trường [9], [10] Tuy nhiên, hiệu xử lý SMZ nói chung cịn thấp, q trình chế tạo vật liệu trải qua nhiều bước nên tốn thời gian kinh phí, khó thu hồi vật liệu sau xử lý Một biện pháp để khắc phục hạn chế biến tính vật liệu có khả hấp phụ với vật liệu nano có từ tính để tạo vật liệu vừa có khả thu hồi từ vừa có diện tích bề mặt lớn Do đó, nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp phụ có khả xử lý SMX với chi phí thấp cho hiệu cao khả tái sử dụng lớn thu hút quan tâm nhiều nhà khoa học Sử dụng sóng siêu âm để tăng tốc rút ngắn thời gian phản ứng hóa học mở triển vọng chế tạo vật liệu Khi sử dụng sóng siêu âm, hạt nano Fe3O4 với từ độ bão hòa cao tạo nhiệt độ phịng mà khơng cần xử lí nhiệt Trong báo này, sử dụng phương pháp đồng kết tủa với hỗ trợ siêu âm để chế tạo bước vật liệu tổ hợp cấu trúc nano than trấu/Fe3O4 (RHF) ứng dụng hấp phụ xử lý kháng sinh Sulfamethoxazole môi trường nước Thực nghiệm 2.1 Nguyên liệu hóa chất - Vỏ trấu thu thập nhà máy xay xát địa bàn tỉnh Thái Nguyên - Các hóa chất KH2PO4, Sulfamethoxazole, FeSO4, Fe2(SO4)3, KOH, HNO3 có độ tinh khiết PA hãng Merck - Nước sử dụng thí nghiệm nước cất lần nước khử ion 2.2 Chế tạo vật liệu hấp phụ (RHF) Vỏ trấu rửa nước cất lần, sấy khô trước đốt nhiệt độ cao 800oC phút, đổ nhanh vào nước lạnh trước lọc sấy 80oC 24 thu than trấu khơ, kí hiệu RH Hình Sơ đồ minh họa trình chế tạo vật liệu RHF; ảnh nhỏ ảnh chụp thí nghiệm http://jst.tnu.edu.vn 366 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 226(11): 365 - 370 Chế tạo vật liệu hấp phụ: Sử dụng than trấu Fe3O4 phương pháp đồng kết tủa từ dung dịch muối sắt (II, III): Cân 10g than trấu vào cốc thủy tinh 1000 mL sau thêm vào cốc 300 mL dung dịch KOH 0,5M Hỗn hợp đặt bể siêu âm 30 phút trước thêm từ từ 350 mL hỗn hợp dung dịch FeSO4:Fe2(SO4)3 tỷ lệ 3/1 Kết tủa cho phản ứng lọc, rửa nhiều lần nước cất mơi trường trung tính, sau sấy khô 80oC chân không thu vật liệu, kí hiệu RHF Vật liệu Fe3O4 chế tạo chế tạo tương tự quy trình khơng có than trấu Hình sơ đồ minh họa trình chế tạo vật liệu 2.3 Khảo sát khả hấp phụ SMX Các vật liệu thu điều kiện thí nghiệm khác đem thử nghiệm khả hấp SMX điều kiện nhiệt độ phịng pH trung tính Dung dịch SMX pha thành nồng độ ppm cho 50 mL vào bình tam giác có chứa 0,02g vật liệu hấp phụ, lắc thời gian 90 phút Sau thời gian hấp phụ, mẫu ly tâm tốc độ 4000 vòng/phút 15 phút hút lấy phần dung dịch phía đem xác định nồng độ máy sắc kí lỏng hiệu cao UHPLC-PDA 2998 hãng Water Dung dịch cần xác định chạy qua cột C18 (150 x 4,6 mm, mm), pha động gồm dung dịch KH2PO4 0,1M/methanol (65:35 v/v) phân bố với tốc độ dòng 0,9 mL/phút thời gian 10 phút, nhiệt độ cột 30oC Bước sóng phát peak SMX 210 nm Hiệu suất hấp phụ tính cơng thức: C -C H= t 100% (1) C0 Trong đó: H hiệu suất hấp phụ (%), C0, Ct nồng độ SMX ban đầu thời điểm t dung dịch (mg/L) [5]: 2.4 Các phương pháp xác định đặc trưng vật liệu Giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) mẫu ghi nhiễu xạ kế tia X (D2 PHASER) Đặc điểm hình thái học mẫu khảo sát sử dụng kính hiển vi điện tử quét máy JEOL JSM6700F SEM kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) JEOL 2100F Diện tích bề mặt riêng mẫu xác định qua phép đo đẳng nhiệt hấp phụ N2 thiết bị Tri Star 3000 77K Từ độ bão hòa xác định sử dụng thiết bị từ kế mẫu rung MicroSence EZ9 Kết thảo luận 3.1 Đặc trưng vật liệu Hình (a) Ảnh SEM, ảnh nhỏ (a, trái) RH, (a, phải) Fe3O4 (b) TEM RHF, ảnh nhỏ Fe3O4 http://jst.tnu.edu.vn 367 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology Hình Giản đồ XRD RH, RHF Fe3O4 226(11): 365 - 370 Hình (a) Đường đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ N2 (b) phân bố kích thước lỗ xốp vật liệu RHF Có thể nhận thấy từ ảnh SEM (hình ảnh nhỏ a, trái), RH ban đầu có kích thước lớn, cịn Fe3O4 (ảnh nhỏ a, phải) hạt có kích thước nano Sau tổ hợp với mảnh than trấu chuyển sang dạng xốp hoạt hóa NaOH, xen kẽ thêm hạt nano Fe3O4 Kết nhiễu xạ tia X (hình 3) cho thấy: peak đặc trưng xuất 2θ = 30,05o; 35,36o; 43,08o; 57,07o 62,68o tương ứng với mặt mạng (220), (311), (400), (511) (440) Fe3O4 (JCPDS, số 19-0629) theo công bố trước [11] Trong đó, than trấu RH xuất đỉnh 2θ = 22,14o; 29,42o 43,61o tương ứng với mặt mạng (002), (220) (100) cấu trúc cacbon Khi kết hợp với nhau, xuất đỉnh hai vật liệu 2θ = 30,05o; 35,36o; 43,08o; 57,07o; 62,68o tương ứng với mặt mạng (002), (220), (311), (511) (440) với cường độ đỉnh nhiễu xạ thấp Điều hạt Fe3O4 chen vào lớp bề mặt cacbon (như kết TEM) Quá trình hình thành nano Fe3O4 mơ tả theo giai đoạn sau: Fe3+ + 3OH-→ Fe(OH)3 (1) Fe2+ + 2OH- → Fe(OH)2 (2) 2Fe(OH)3 + Fe(OH)2 → Fe3O4 + 4H2O (3) Dưới tác động siêu âm mơi trường pH=12 thí nghiệm, mảnh than trấu dễ dàng bị tách dạng mảnh nhỏ Fe3O4 hình thành bề mặt mảnh than trấu này, thơng qua liên kết Fe-O-C tạo thành vật liệu tổ hợp tiến hành nghiên cứu tiếp thơng qua phổ XPS FTIR Hình đường đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ N2 (hình 4a) phân bố kích thước lỗ xốp (hình 4b) vật liệu RHF Kết rằng, hấp phụ N2 xảy mạnh mẽ từ ban đầu (P/Po