4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
1.4.2. Phá hủy bằng vi sóng plasma [18]
Phƣơng pháp này đƣợc tiến hành trong thiết bị cấu tạo đặc biệt. Chất hữu cơ đƣợc dẫn qua ống phản ứng ở đây là detector plasma sinh ra sóng phát xạ electron cực ngắn (vi sóng). Sóng phát xạ electron tác dụng vào các phân tử hữu cơ tạo ra nhóm gốc tự do và sau đó dẫn tới các phản ứng tạo SO2, CO2, 2
4
HPO , Cl2, Br2… (sản phẩm tạo ra phụ thuộc vào bản chất thuốc BVTV).
Ví dụ: Malathion bị phá hủy nhƣ sau:
Plasma + C10H19OPS2 15O2 + 10CO2 + 9H2O + 2 4
HPO
Kết quả thực nghiệm theo phƣơng pháp trên một số loại thuốc BVTV đã phá hủy đến 99% (với tốc độ từ 1,8 đến 3 kg/h).
K37C- CN Hóa 17 Trƣờng ĐHSP Hà Nội 2
Ƣu điểm của phƣơng pháp này là hiệu suất xử lý cao, thiết bị gọn nhẹ. Khí thải khi xử lý an toàn cho môi trƣờng. Tuy nhiên, nhƣợc điểm của phƣơng pháp này là chỉ sử dụng hiệu quả trong pha lỏng và pha khí, chi phí cho xử lý cao, phải đầu tƣ lớn.
1.4.3. Phương pháp ozon hóa/UV [18]
Ozon hóa kết hợp với chiếu tia cực tím là phƣơng pháp phân hủy các chất thải hữu cơ trong dung dịch hoặc trong dung môi. Kỹ thuật này thƣờng đƣợc áp dụng để xử lý ô nhiễm thuốc BVTV ở Mỹ. Phản ứng hóa học để phân hủy hợp chất là:
Thuốc trừ sâu, diệt cỏ + O3 CO2 + H2O + các nguyên tố khác
Ƣu điểm của phƣơng pháp này là sử dụng thiết bị gọn nhẹ, chi phí vận hành thấp, chất thải ra môi trƣờng sau khi xử lý loại ít độc, thời gian phân hủy rất ngắn. Nhƣợc điểm của phƣơng pháp là chỉ sử dụng có hiệu quả cao trong các pha lỏng, pha khí. Chi phí ban đầu cho xử lý là rất lớn.
1.4.4. Phương pháp oxi hóa bằng không khí ướt [18]
Phƣơng pháp này dựa trên cơ chế oxi hóa bằng hỗn hợp không khí và hơi nƣớc ở nhiệt độ cao > 350oC và áp suất 150 atm. Kết quả xử lý đạt hiệu quả 95%. Chi phí cho xử lý theo phƣơng pháp này chƣa đƣợc nghiên cứu.
1.4.5. Phương pháp oxi hóa ở nhiệt độ cao [18]
Phƣơng pháp oxi hóa ở nhiệt độ cao có hai công đoạn chính:
Công đoạn 1: Công đoạn tách chất ô nhiễm ra hỗn hợp đất bằng phƣơng pháp hóa hơi chất ô nhiễm.
Công đoạn 2: Là công đoạn phá hủy chất ô nhiễm bằng nhiệt độ cao. Dùng nhiệt độ cao có lƣợng oxi dƣ để oxi hóa các chất ô nhiễm thành CO2, H2O, NOx, P2O5.
Ƣu điểm của phƣơng pháp xử lý nhiệt độ cao là phƣơng pháp tổng hợp vừa tách chất ô nhiễm ra khỏi đất, vừa làm sạch triệt để chất ô nhiễm; khí thải rất an toàn cho môi trƣờng (khi có hệ thống lọc khí thải). Hiệu suất xử lý tiêu độc cao > 95%; cặn bã tro sau khi xử lý chiếm tỷ lệ nhỏ (0,01%).
K37C- CN Hóa 18 Trƣờng ĐHSP Hà Nội 2
Hạn chế của phƣơng pháp này là chi phí cho xử lý cao, không áp dụng cho xử lý đất bị ô nhiễm kim loại nặng, cấu trúc đất sau khi xử lý bị phá hủy, khí thải cần phải lọc trƣớc khi thải ra môi trƣờng.
1.4.6. Phương pháp xử lý tồn dư hóa chất BVTV bằng phân hủy sinh học [18]
Việc loại bỏ có hiệu quả tồn dƣ thuốc BVTV là một trong các khó khăn chính mà nền nông nghiệp phải đối mặt. Vi sinh vật đất đƣợc biết đến nhƣ những cơ thể có khả năng phân hủy rất nhiều thuốc BVTV dùng trong nông nghiệp. Trong những năm gần đây xu hƣớng sử dụng vi sinh vật để phân hủy lƣợng tồn dƣ thuốc BVTV một cách an toàn đƣợc chú trọng nghiên cứu. Phân hủy sinh học tồn dƣ thuốc BVTV trong đất, nƣớc, rau quả là một trong những phƣơng pháp loại bỏ nguồn gây ô nhiễm môi trƣờng, bảo vệ sức khỏe cộng đồng và nền kinh tế.
Phƣơng pháp phân hủy thuốc BVTV bằng tác nhân sinh học dựa trên cơ sở sử dụng nhóm vi sinh vật có sẵn môi trƣờng đất, các sinh vật có khả năng phá hủy sự phức tạp trong cấu trúc hóa học và hoạt tính sinh học của thuốc BVTV. Nhiều nghiên cứu cho thấy rằng trong môi trƣờng đất quần thể vi sinh vật trong môi trƣờng đất luôn luôn có khả năng thích nghi đối với sự thay đổi điều kiện sống. Ở trong đất, thuốc BVTV bị phân hủy thành các hợp chất vô cơ nhờ các phản ứng oxi hóa, thủy phân, khử oxi xảy ra ở mọi tầng đất và tác động quang hóa xảy ra ở tầng đất mặt. Nhóm Vi sinh vật đất rất phong phú và phức tạp. Chúng có thể phân hủy thuốc BVTV và dùng thuốc nhƣ là nguồn cung cấp chất dinh dƣỡng, cung cấp cacbon, nitơ và năng lƣợng để chúng xây dựng cơ thể. Quá trình phân hủy của vi sinh vật có thể gồm một hay nhiều giai đoạn, để lại các sản phẩm trung gian và cuối cùng dẫn tới sự khoáng hóa hoàn toàn sản phẩm thành CO2, H2O và một số chất khác. Một số loại thuốc thƣờng chỉ bị một số loài vi sinh vật phân hủy. Nhƣng có một số loài vi sinh vật có thể phân hủy đƣợc nhiều thuốc BVTV trong cùng một nhóm hoặc ở các nhóm thuốc khá xa nhau. Các nghiên cứu cho thấy trong đất tồn tại rất nhiều nhóm vi sinh vật có khả năng phân hủy các hợp chất photpho hữu cơ, ví dụ nhƣ nhóm bacillus mycoides, B.subtilis, proteus vulgaris…, đó là những vi sinh vật thuộc nhóm hoại sinh trong đất. Rất nhiều vi sinh vật có khả
K37C- CN Hóa 19 Trƣờng ĐHSP Hà Nội 2
năng phân hủy 2,4-D, trong đó có achrombacter, alcaligenes, corynebacterrium, flavobaterium, pseudomonas,… Yadav J.S và cộng sự đã phát hiện nấm phanerochaete chrysosporium có khả năng phân hủy 2,4-D và rất nhiều hợp chất hữu cơ quan trọng có cấu trúc khác nhƣ clorinated phenol, PCBs, dioxin, monoaromatic và polyaromatic hidrocacbon, nitromatic. Năm 1974, Type và Finn đã báo khả năng thích nghi và sử dụng thuốc BVTV nhƣ nguồn dinh dƣỡng cacbon của một số chủng pseudomonas sp.
Khi chúng phát triển trên môi trƣờng có chứa 2,4-dichlorophenoxy axetic axit và 2,4-dichlophenol. Năm 1976, Franci và cộng sự đã nghiên cứu về khả năng chuyển hóa DDT Analogues của chủng Pseudomonas sp. Năm 1977, Doughton và Hsieh khi nghiên cứu sự phân hủy parathion nhƣ một nguồn dinh dƣỡng thì quá trình phân hủy diễn ra nhanh hơn. Ở Việt Nam, Nguyễn Thị Kim Cúc và Phạm Việt Cƣờng đã tiến hành phân lập và tuyển chọn một số chủng thuộc chi Pseudomonas có khả năng phân hủy đƣợc metyl parathion và đạt đƣợc kết quả khả quan.
Quá trình phân hủy thuốc BVTV của sinh vật đất đã xảy ra trong môi trƣờng có hiệu suất chuyển hóa thấp. Để tăng tốc độ phân hủy thuốc BVTV và phù hợp với yêu cầu xử lý, ngƣời ta đã tối ƣu hóa các điều kiện sinh trƣởng và phát triển của vi sinh vật nhƣ: pH, môi trƣờng, độ ẩm, nhiệt độ, dinh dƣỡng, độ thoáng khí, bổ sung vào môi trƣờng đất chế phẩm sinh vật có khả năng phân hủy thuốc BVTV.
Một số trở ngại có thể sử dụng vi sinh vật trong xử lý sinh học là những điều kiện môi trƣờng tại nơi cần xử lý, nhƣ sự có mặt của các kim loại nặng độc, nồng độ các chất ô nhiễm hữu cơ cao có thể làm cho vi sinh vật tự nhiên không phát triển đƣợc và làm chết vi sinh vật đƣa vào, giảm đáng kể ý nghĩa thực tế của xử lý sinh học.
Có những phát minh mới mở rộng khả năng sử dụng vi sinh vật để xử lý ô nhiễm môi trƣờng. Một ví dụ sử dụng các chủng vi sinh vật kháng các dung môi hữu cơ ở nồng độ rất cao. Ngoài ra, với những kỹ thuật sinh học phân tử hiện đại có thể tạo ra những chủng vi khuẩn có khả năng phân hủy đồng thời nhiều hóa chất độc hại mà không yêu cầu điều kiện nuôi cấy phức tạp và không gây hại cho động, thực vật cũng
K37C- CN Hóa 20 Trƣờng ĐHSP Hà Nội 2
nhƣ con ngƣời. Phƣơng pháp này sẽ đƣợc ứng dụng rộng rãi trong tƣơng lai vì ý nghĩa thực tế của nó khi xử lý các chất thải độc hại ngày càng đƣợc mọi ngƣời chấp nhận.
1.4.7. Phương pháp tách chiết [15]
Phƣơng pháp này dựa vào việc rửa các chất ô nhiễm hữu cơ khó phân hủy ra khỏi đất. Quá trình rửa tập trung vào việc di dời các chất ô nhiễm hữu cơ khó phân hủy. Quá trình đƣợc tiến hành với một vài loại tác nhân rửa khác nhau.
Ƣu điểm của phƣơng pháp này là đơn giản, dễ sử dụng, chi phí thấp và đạt hiệu quả cao.
1.4.8. Một số phương pháp khác[20]
- Phƣơng pháp truyền thống để loại bỏ thuốc BVTV tồn lƣu trong đất ô nhiễm bằng công nghệ thiêu đốt ở nhiệt độ cao trong lò công nghiệp chuyên dụng hoặc trong lò xi măng (kèm hệ thống xử lý khí thải) đƣợc đánh giá có hiệu quả về xử lý song chỉ phù hợp với một số địa phƣơng, không phù hợp với quy mô nhỏ bởi chi phí vận chuyển xử lý cao.
- Thủy phân kiềm nóng đơn giản, cơ động, song chi phí xử lý cao, nguy cơ cháy nổ, khó kiểm soát ô nhiễm thứ phát…
- Xúc tác oxi hóa đốt có xúc tác đồng, hiệu quả cao, song thiết bị phức tạp… - Phƣơng pháp khử nhiệt – bẫy dầu – hấp phụ kiềm phân tán.
K37C- CN Hóa 21 Trƣờng ĐHSP Hà Nội 2
CHƢƠNG 2
THỰC NGHIỆM VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Thực nghiệm
2.1.1. Nguyên liệu, hóa chất
Đất ô nhiễm do thuốc BVTV đƣợc nghiền nhỏ, trộn đều; Nƣớc cất; đá bọt;
Bông thủy tinh;
Dung môi nƣớc, trong đó có 25% thể tích etanol 1000
Giấy lọc, giấy dán nhãn.
2.1.2. Dụng cụ
- Bình định mức 100ml; - Hệ thí nghiệm; - Cốc thủy tinh; - Phễu, thìa;
- Cân phân tích; - Khẩu trang, gang tay, áo; - Pipet; - Hộp đựng mẫu;
- Ống nghiệm; - Ống đong.
2.1.3. An toàn thí nghiệm
- Khi lắp giá phải kiểm tra xem giá chắc chắn chƣa. - Trang bị đầy đủ: khẩu trang, gang tay, áo.
- Khi lấy hóa chất: tránh rơi vãi ra ngoài.
- Khi tách chiết đổi bình hứng tránh để nƣớc rơi vãi ra ngoài vì có chứa thuốc BVTV.
2.1.4. Tiến hành thí nghiệm
2.1.4.1. Tiến hành thử
Lắp hệ thí nghiệm (hình 2.1) và kiểm tra độ chắc chắn, sau đó cho 100ml nƣớc vào thực hành đếm giọt. Điều chỉnh hệ thống chảy 5 giọt/phút, 10 giọt/phút, 20 giọt/ phút, 30 giọt/ phút,…
K37C- CN Hóa 22 Trƣờng ĐHSP Hà Nội 2 Hình 2.1. Hệ thốngthí nghiệm chiết rửa
2.1.4.2 Tiến hành pha dung môi etanol
Pha 24 ml dung dịch etanol 960 với 76 ml nƣớc cất để đƣợc 100 ml dung dịch nƣớc trong đó etanol 960
chiếm 25% về thể tích. Công thức tính lƣợng etanol:
Trong đó: v= 25 ml; C1 là độ của etanol mới; C2 là độ của etanol phòng thí nghiệm.
K37C- CN Hóa 23 Trƣờng ĐHSP Hà Nội 2
2.1.4.3. Tiến hành thí nghiệm với dung môi etanol 100O
chiếm 25% về thể tích, ngâm đất 2 giờ, tốc độ chiết 5 giọt/phút.
Lấy cột sắc ký cho lớp mỏng bông thủy tinh ở dƣới, sau đó cho 25 gam đá bọt vào, tiếp theo là một lớp bông, sau đó cho 50 gam đất ô nhiễm thuốc BVTV (đất đƣợc nghiền nhỏ), tiếp theo cho lớp bông mỏng rồi cho 25 gam đá bọt phía trên. Sau đó lắp cột sắc ký lên giá thí nghiệm nhƣ hình 2.1. Mở khóa cho thông khí hai đầu cột chiết.
Lần 1: Rót từ từ 100 ml đầu của dung dịch chứa 25% thể tích etanol, cho đến khi có giọt đầu tiên nhỏ ra ở miệng khóa thì đóng khóa cột lại và rót tiếp đến hết 100 ml đầu này. Vẫn khóa cột, mở nắp trên để 2h cho thoáng khí và ngấm hoàn toàn. Sau 2h mở khóa cột chỉnh 5 giọt/phút để thu mẫu chiết, 100 ml dung dịch chiết thu thành 1 mẫu chiết. Sau đó đóng khóa cột, bao gói ghi tên nhãn – kí hiệu và bảo quản mẫu chiết. Lần 2: Rót từ từ 100 ml dung dịch nhƣ trên vào cột chiết tiếp. Chiết với tốc độ 5 giọt/phút, chiết hết thu đƣợc mẫu chiết thứ 2. Đóng khóa cột, bao gói ghi tên nhãn – kí hiệu và bảo quản mẫu chiết.
Lần 3: Rót từ từ tiếp 100 ml dung dịch nhƣ trên vào cột chiết tiếp. Chiết với tốc độ 5 giọt/phút, chiết hết thu đƣợc mẫu chiết thứ 3. Đóng khóa cột, bao gói ghi tên nhãn – kí hiệu và bảo quản mẫu chiết.
2.1.4.4. Tiến hành thí nghiệm với dung môi etanol 1000
chiếm 25% về thể tích, ngâm đất 5 giờ, tốc độ chiết 10 giọt/phút.
Làm thí nghiệm với 50 gam đất giống mẫu đất trên, tiến hành thí nghiệm tƣơng tự thí nghiệm trên, ngâm mẫu 5h, sau 5h mở khóa cột điều chỉnh 10 giọt/phút để thu mẫu chiết.
Bao gói ghi tên nhãn – kí hiệu, bảo quản mẫu chiết.
2.1.4.5. Tiến hành thí nghiệm với dung môi etanol 1000
chiếm 25% về thể tích, ngâm đất 30 phút, tốc độ chiết 10 giọt/phút.
Làm thí nghiệm với 50 gam đất giống mẫu đất trên, tiến hành thí nghiệm tƣơng tự thí nghiệm trên, ngâm mẫu 30 phút, sau 30 phút mở khóa cột điều chỉnh 10 giọt/phút để thu mẫu chiết.
K37C- CN Hóa 24 Trƣờng ĐHSP Hà Nội 2
Bao gói ghi tên nhãn – kí hiệu, bảo quản mẫu chiết.
2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu
2.2.1. Sắc ký cột[19]
Sắc ký cột là phƣơng pháp sắc ký mà pha tĩnh đƣợc nhồi trong một cột hình trụ hở hai đầu hoặc đƣợc tráng trong lòng một mao quản có đƣờng kính trong rất hẹp. Theo nghĩa rộng, sắc ký cột bao gồm cả sắc ký cột cổ điển dùng trong điều chế các chất và sắc ký cột hiện đại thƣờng dùng trong phân tích nhƣ HPLC, GC… Sau đây là các kỹ thuật sắc ký cột cổ điển. Với kích thƣớc cột lớn, sắc ký cột cổ điển chủ yếu đƣợc dùng trong việc chiết tách và phân lập các chất.
Trong sắc ký cột cổ điển, ngƣời ta thƣờng dùng các cột thủy tinh đƣờng kính 1-5 cm, dài 30-100 cm để nhồi pha tĩnh. Chất nhồi cột có kích thƣớc từ 15-300 μm. Kích thƣớc hạt càng lớn dung môi qua cột càng dễ dàng nhƣng hiệu năng tách kém. Với vật liệu nhồi cột là silicagel dùng cho sắc ký cột, ngƣời ta thƣờng phân ra làm ba loại là loại mịn (14-40 μm), loại vừa (40-63μm) và loại thô (63-200 μm). Lƣợng mẫu nạp lên cột thay đổi tùy theo tính chất phức tạp của mẫu và khả năng tách của hệ thống. Tỉ lệ mẫu / pha tĩnh thƣờng là 1/30 – 1/100 hay hơn. Trong một vài kỹ thuật, tỉ lệ này có thể tăng tới 1/10.
Cột sẽ đƣợc triển khai bằng dung môi thích hợp. Dung môi có các chất đƣợc tách ra sẽ đi ra khỏi cột và đƣợc hứng thành từng phân đoạn, bằng tay hay bằng bộ phận hứng phân đoạn. Các phân đoạn đƣợc kiểm tra bằng sắc ký lớp mỏng và những phân đoạn giống nhau đƣợc gộp chung, loại dung môi để thu đƣợc chất tinh khiết. Trong trƣờng hợp sắc ký cột khô hay cột ngƣợc, các chất đƣợc tách ra không đƣợc rửa giải ra khỏi cột mà đƣợc cắt thành các “khoang” và giải hấp bằng dung môi để thu các chất.
Trong sắc ký cột cổ điển, áp lực đẩy dòng dung môi qua cột là áp suất thủy tĩnh. Với cột dài và chất nhồi cột mịn, tốc độ dòng dung môi giảm có thể ảnh hƣởng đến kết quả sắc ký cho hiện tƣợng khuyếch tán. Thời gian khai triển cũng rất dài, có khi là nhiều ngày hơn. Để khắc phục phần nào nhƣợc điểm này, một số kỹ thuật sắc ký cột cải tiến đã đƣợc sử dụng giúp giảm thời gian phân tách. Tuy nhiên, hiệu lực tách của
K37C- CN Hóa 25 Trƣờng ĐHSP Hà Nội 2
cột cũng có thể giảm. Khi ấy ngƣời ta thƣờng thu các phân đoạn đơn giản để tiếp tục phân tách trên các cột sắc ký khác. Hai kĩ thuật hay sử dụng là sắc ký cột nhanh (flash chromatography, FC) và sắc ký cột chân không (vacuum liquid chromatography, VLC). Cả hai đều sử dụng cột ngắn và đƣờng kính lớn để tăng tốc độ dòng và tăng