V. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
2.1.1. Gum muồng hoàng yến
2.1.1.1. Giới thiệu về gum muồng hoàng yến
Muồng hoàng yến có tên khoa học Cassia fistula Linn, tên phổ thông: Muồng
hoàng yến, bò cạp nước, Osaka...Nguồn gốc từ châu Á.
Muồng hoàng yến phát triển tốt tại khu vực nhiều nắng và thoát nước tốt, không thích hợp với điều kiện khí hậu khô cằn hay giá lạnh; mặc dù nó chịu được hạn và mặn.
Ở Việt Nam, muồng hoàng yến mọc hoang dại trong các rừng thưa ở các tỉnh Tây Nguyên như Gia Lai, Kon Tum, Đắk Lắk. Nó cũng còn được trồng nhiều ở đô thị như Nha Trang, Đà Lạt, thành phố Hồ Chí Minh,...để tạo cảnh quan.
Do cây có hoa đẹp, tán rộng, mọc nhanh, không cao quá và có rễ ngang, bám chắc nên muồng hoàng yến rất đáng được quan tâm, chú ý để phát triển nhiều hơn nữa làm cây cảnh quan, cây đường phố.
Đây là dạng cây thân gỗ trung bình, cao 10 – 20 m. Đường kính thân cây khoảng 40 cm. Vỏ thân màu xám trắng, vỏ thịt màu hồng dày 6 – 8 mm thường được dùng làm thuốc nhuộm màu đỏ. Gỗ có giác lõi phân biệt, cứng, nặng có thể dùng trong xây dựng nhà cửa, đóng đồ gia dụng, nông cụ. Lõi giàu tanin.
Cành nhánh dài, nhẵn. Lá kép lông chim, mọc cách, dài 15 – 60 cm với 3 – 8 cặp lá chét sớm rụng. Lá chét mọc đối, hình bầu dục rộng đến bầu dục dài, dài 7 – 21 cm rộng 4 – 9 cm, đầu nhọn, gốc hình nêm, rộng, nhẵn.
Chùm hoa lớn, buông xuống mọc từ nách lá, dài 30 – 50 cm mang nhiều hoa xếp thưa có cuống dài. Cánh hoa hình bầu dục mặt ngoài phủ lông mượt. Mỗi hoa đường kính 4 – 7 cm với năm cánh hoa màu vàng tươi. Bầu và vòi nhụy phủ lông tơ mượt.
Quả dạng quả đậu hình trụ, hơi có đốt, dài 20 – 60 cm, đường kính quả 15 – 25 mm, mang nhiều hạt hình trái xoan rộng, khi khô có vỏ cứng, có thể dùng làm thuốc xổ. Thịt quả có mùi hôi khó chịu. Mùa hoa tháng 5 – 7 (Bắc bán cầu) hay tháng 11 (Nam bán cầu). Hoa nở rộ và sai hoa nên rất đẹp (Hình 2.1)
Hình 2.1. Hoa và trái của muồng hoàng yến
2.1.1.2. Điều chế gum từ hạt muồng hoàng yến
Trái muồng hoàng yến (Cassia fistula L.) được thu hái ở công viên Gia Định
(quận Phú Nhuận, thành phố Hồ Chí Minh) vào tháng 1 năm 2013, tên khoa học được xác định tại Bộ môn Thực vật, khoa Sinh học, Đại học Khoa học Tự Nhiên Tp HCM. Trái già có màu đen được phơi khô, sau đó tách vỏ chọn hạt to đều dùng cho thí nghiệm chiết xuất gum (Hình 1.7).
Hình 2.2. Quả và hạt dùng trong thí nghiệm
Chiết xuất gum:
Xay nhuyễn 1 kg hạt khô, rồi sàng bằng rây 500 μm để thu lấy bột mịn. Sấy bột này ở 80 °C trong 6 giờ. Chất béo trong bột hạt được ly trích hoàn toàn với eter dầu hỏa trong hệ thống Soxhlet 20 giờ và loại màu của bột hạt này với etanol thêm 32 giờ nữa.
Cho 10 g bột hạt đã loại chất béo và chất màu hòa trong 400 mL dung dịch acid acetic 1%, đưa vào máy khuấy từ trong 2 giờ. Lọc bằng phễu Büchner để lấy phần dung dịch. Phần bã tiếp tục khuấy với 100 mL dung dịch acid acetic 1% rồi lọc. Lặp lại 3 lần. Gộp các phần dung dịch lại với nhau rồi thêm vào đó một lượng etanol gấp đôi để tạo kết tủa. Dùng phễu lọc xốp để loại dung môi và thu lấy chất kết tủa mới. chất rắn này được hòa tan lại trong nước cất rồi kết tủa lại bằng aceton thu được gum
Hình 2.3. Gum hạt sau khi điều chế
2.1.1.3. Đặc tính của gum hạt
Gum sau trích ly được đem phân tích để xác định thành phần bằng các phương pháp sau.
2.1.1.3.1 Phổ hồng ngoại (Fourier Transform infrared Spectroscopy -FTIR)
Phổ hồng ngoại của gum được đo trên máy FTIR- EQUINOX 55, Bruker, với kỹ thuật ép viên KBr.
2.1.1.3.2. Xác định hàm lượng đường
Hàm lượng mannose and galactose được đo bằng máy sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) với các điều kiện sau: Cột:Asahipak NH2P-50 4E (4.6×250 mm, Asahikasei Ltd.); dung môi: acetonitrile-nước (80:20, v/v); tốc độ dòng: 1.6 mL/phút tại nhiệt độ phòng bằng đầu dò đầu dò chỉ số khúc xạ (RID).
2.1.1.3.3. Sắc ký Gel
Khối lượng phân tử trung bình Mw được đo trên máy máy sắc ký gel thấm qua Sai Gon University
2.1.1.4. Cấu trúc gum của hạt muồng hoàng yến
2.1.1.4.1. Phổ hồng ngoại
Phổ hồng ngoại của gum thu được (Hình 2.4) cho thấy các đỉnh đặc trưng của polysaccharides hay các phân tử đường.
Hình 2.4. Phổ FT-IR của gum
Dao động ở vị trí 1026 và 1093 cm-1 tương ứng là dao động của nhóm C-OH. Trong khi dao động tại 814 and 875 cm-1 cho thấy sự hiện diện của nối α-D- galactopyranose và nối β- D-mannopyranose tương ứng với giá trị đã công bố trong tài liệu của Cerqueira và cộng sự (2011).
2.1.1.4.2 Khối lượng phân tử
Kết quả chạy phổ gum cho thấy khối lượng phân tử trung bình là 4.70 × 105 g/mol và độ phân tán là 2,483 (Hình 2.5). So sánh với các sản phẩm gum hạt điều chế từ các hạt khác thì khối lượng phân tử thấp hơn nhưng độ phân tán cao hơn ví dụ
Dimorphandra gardneriana (Cunha và cộng sự, 2009) (Mw 3,9 × 107 g/mol, D 2,06),
Caesalpinia ferrea (De Souza và cộng sự, 2010) (Mw 6,04 × 105 g/mol, D 1,55), và Sai Gon University
Mimosas cabrella (Vendruscolo và cộng sự, 2009) (Mw 8,48 × 105 g/mol, D 1,3), kết quả cho thấy gum điều chế có khả năng tan tốt hơn nhưng cần cải thiện độ tinh khiết để có thể trở thành chất keo tụ sử dụng trong công nghiệp (Vendruscolo và cộng sự, 2009; Singh và cộng sự, 2007).
Hình 2.5. Phân bố khối lượng của gum
2.1.1.4.3. Thành phần polisacharide
Hình 2.6 cho thấy khối tỷ lệ khối lượng của mannose and galactose trong gum khoảng 3,5: 1. Kết quả này khá tương thích với kết quả thu được của Ali và cộng sự (2004). Kết quả này cho thấy khả năng kém hòa tan của gum trong nước có thể do liên kết hydrogen nội phân tử gây ra.
Hình 2.6. Hàm lượng mannose và galactose trong mẫu gum
Từ những kết quả sắc ký đồ thu được (FTIR, GPC và HPLC) cùng với các nghiên cứu về galactomannan trước đây (Blackburn, 2004; Sanghi và cộng sự, 2006), cho
thấy cấu trúc gum hạt muồng hoàng yến có thể được biểu diễn như Hình 2.7.
Hình 2.7. Cấu trúc đề xuất của gum muồng hoàng yến
2.1.1. Nước thải giả định và dung dịch keo tụ cho thí nghiệm 2.1.1.1. Pha chế nước thải giả định
Từ khảo sát thực tế một số cơ sở nhuộm và nghiên cứu tài liệu (Loan, 2011;
Thanh và cộng sự, 2013) nhận thấy rằng trong số các nước thải nhuộm gây ô nhiễm
môi trường nước thải từ công đoạn nhuộm của màu nhuộm hoạt tính đang là loại nước thải khó xử lý và chiếm chi phí cao nhất. Vì thế nhóm nghiên cứu quyết định chọn đối tượng này trong nghiên cứu xử lý nước thải nhuộm.
Một khó khăn khác trong quá trình nghiên cứu nước thải nhuộm hoạt tính đó là nước thải nhuộm thực tế thường bao gồm nhiều hỗn hợp màu do nhuộm nhiều sản phẩm có màu sắc khác nhau theo đơn đặt hàng, các màu nhuộm mặc dầu có chỉ số độ màu rất lớn nhưng thông số COD lại không cao, vì thế để khảo sát hiệu suất xử lý nếu chỉ dùng thông số COD sẽ không thực sự chính xác trong khi độ màu tổng cộng (hoặc độ hấp thu) lại gây sai số lớn (vì độ màu không có tính cộng gộp, giá trị độ màu chỉ cho giá trị có thông số của màu có ưu thế).
Do những lý do trên trong đề tài nhóm nghiên cứu sẽ tiến hành tạo ra mẫu nước thải giả lập với các màu nhuộm riêng rẽ gần giống với thực tế đặc biệt là độ màu (~1000 Pt-Co) và pH (~11) hai thông số quan trọng nhất trong nước thải nhuộm hoạt tính để màu nhuộm ở trạng thái thủy giải hoàn toàn. Quy trình chuẩn bị nước thải được tóm gọn trong Hình 2.8.
Hai màu nhuộm sử dụng trong nghiên cứu là Sunzol Black B 150% (SBB), Sunfix Red S3B 100% (SRS) của hãng Oh-Young (Hàn Quốc) được lấy trực tiếp từ cơ sở nhuộm Tiền Kim Thành, KCN Lê Minh Xuân, Hồ Chí Minh với công thức, phổ hấp thu và cấu trúc như Hình 2.9 và 2.10.
2.1.1.2. Xây dựng đường chuẩn của màu nhuộm
Hình 2.8. Quy trình pha nước thải nhuộm giả lập
Hình 2.9. Đặc tính lý học của các màu dùng trong thí nghiệm *
Hình 2.10. Màu và phổ hấp thu của màu nhuộm dùng trong thí nghiệm
Bảng 2.1. Độ hấp thu cực đại ứng với từng nồng độ màu của màu nhuôm
C (g/L) A
Sunzol Black B 150% Sunfix Red S3B 100% Độ hấp thu (Abs) Độ màu (Pt-Co) COD (mg/L) Độ hấp thu (Abs) Độ màu (Pt-Co) COD (mg/L) 0,01 0,235 246 8,1 0,154 65 4,07 0,02 0,461 484 16,2 0,322 129 4,07 0,03 0,685 750 19,9 0,467 191 6,1 0,04 0,936 1030 24,3 0,638 256 6,1 0,05 1,160 1230 32,6 0,794 315 10.,17 0,06 1,360 1440 36,7 0,951 371 14,24 0,07 1,577 1680 44,1 1,108 439 16,27 0,08 1,804 1910 48,4 1,261 499 20,34 0,09 2,011 2150 56,2 1,458 566 24,41
0,13 2,900 3090 80,5 2,033 812 34,58
0,14 3,078 3310 84,7 2,181 878 38,64
0,15 3,302 3580 91,9 2,303 938 38,64
λ max 600 541
Hình 2.11. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc độ hấp thu và độ màu vào hàm lượng màu của màu Sunzol Black B 150% ở bước sóng 600 nm.
Hình 2.12. Đồ thị biểu thị sự phụ thuộc độ hấp thụ và độ màu vào hàm lượng màu của màu Sunfix Red S3B 100% ở bước sóng 541 nm.
2.1.1.3. Dung dịch keo tụ
Ngoài gum hạt muồng (với tính chất được đề cập trong chương 1), các hóa chất keo tụ phổ biến trên thị trường hiện nay như polyaluminium Chloride (PAC), phèn sắt -Iron (II) ammonium sulphate hexahydrate (FAS) và chitosan cũng được sử dụng trong thí nghiệm khử màu nhằm mục đích so sánh đánh giá hiệu quả của chất keo tụ mới này.
PAC (Poly Aluminium Chloride), 15% Al2O3 công thức [Al2(OH)nCl6·nxH2O]m , cung cấp bởi công ty hóa chất Biên Hòa.
Phèn sắt -Iron (II) ammonium sulphate hexahydrate (FAS), 14% Fe, công thức Fe(NH4)2(SO4)2∙6H2O, hàng của công ty Guangdong Xilong, Trung Quốc.
Chitosan (CTS) có độ đề axetyl (ĐĐA) ~92%, khối lượng phân tử trung bình (Mw) 170.000 g/mol là sản phẩm của Công ty Hóa Nước –Tp.Hồ Chí Minh. Trước khi thí nghiệm được kiểm tra lại ĐĐA bằng FTIR (Hình 2.13).
Dung dịch chuẩn các chất keo tụ được tiến hành bằng cách hòa tan 200 ± 1 mg bột (gum, chitosan, PAC hay FAS) trong 100 mL nước cất (hay 0.05 M HCl trong trường hợp chitosan) khuấy từ trong 5 phút, sau đó siêu âm trong 60 phút để tạo hỗn hợp đồng nhất. Dung dịch gốc được trử lạnh 5°C và được pha loãng đến nồng độ thích hợp khi sử dụng (từ 80 mg/L đến 350 mg/L). 30 40 50 60 70 80 90 100 %T
2.2. THIẾT BỊ DÙNG TRONG THÍ NGHIỆM
Các thiết bị chính sử dụng cho quá trình thí nghiệm bao gồm: Máy keo tụ Jar- test: dùng cho thí nghiệm khảo sát khử màu
Hình 2.14. Mô hình Jartest
Máy quang phổ dùng để đo độ hấp thu, độ màu của màu nhuộm trong quá trình thí nghiệm. Máy do hãng HACH (Hoa Kỳ) sản xuất, model DR5000, bước sóng quét từ 190 – 1100 nm.
Hình 2.15. Máy quang phổ UV-Vis
Máy đun hoàn lưu dùng trong phân tích COD (COD REACTOR 230V/50Hz) do hãng HACH- Hoa kỳ sản xuất. Nhiệt độ được kiểm soát thông qua nhiệt kế theo kèm (Hình 2.16).
Hình 2.16. Máy đun hoàn lưu COD reactor Máy đo pH do hãng METTLER TOLEDO (Thụy Sĩ) sản xuất
Hình 2.17. Máy đo pH
2.3. QÚA TRÌNH THÍ NGHIỆM
2.3.1 Khảo sát quá trình keo tụ nước thải bằng gum
Màu nhuộm sử dụng Sunzol Black B 150% (SBB) và Sunfix Red S3B 100% (SRS). 2.3.1.1 Xác định pH tối ưu
Cố định hàm lượng gum 100 mg/L và các yếu tố nồng độ màu nhuộm, thời gian và tốc độ khuấy;
Biến thiên giá trị pH tại các điểm 3, 7, 10 và 12 (điều chỉnh pH bằng dung dịch NaOH 0.1N, HCl 0.1N).
Tiến trình thí nghiệm như sau:
- Cho vào 6 becker đánh số thự tự, mỗi becker 0.5 lít dung dịch màu nhuộm đã được pha với nồng độ 50mg/l (SRS) hay 100 mg/L (SBB);
- Dùng dung dịch NaOH (0.1N), acid HCl (0.1N), chỉnh và cố định lần lượt các giá trị pH đã chọn khảo sát;
- Cho lần lượt vào mỗi becker với 1 lượng gum như nhau với nồng độ 100mg/l; - Đặt 6 becker vào giàn máy Jar-test, bật máy, chỉnh máy khuấy nhanh ở tốc độ 180 vòng/phút trong 2 phút, giảm tốc độ quay xuống 60 vòng/phút, giữ tốc độ này trong 15 phút;
- Tắt máy khuấy, sau đó lấy 1 ít mẫu đem phân tích các chỉ tiêu pH, độ dẫn, độ hấp thu, COD;
- Giá trị pH tối ưu là giá trị ứng với mẫu có độ hấp thu và COD thấp nhất. 2.3.1.2 Xác định tốc độ khuấy tối ưu
Thực hiện tương tự bước khảo sát pH, nhưng cố định pH, thời gian khuấy, nồng độ gum và màu nhuộm.
Thay đổi tốc độ khuấy ở các mốc: 25, 30, 45, 60, 75, 90 vòng/phút. Trình tự thí nghiệm như sau:
- Cho vào 6 becker đánh số thự tự, mỗi becker 0.5 lít dung dịch màu nhuộm đã được pha với nồng độ 50mg/l (SRS) hay 100 mg/L (SBB);
- Dùng dung dịch NaOH (0.1N), acid HCl (0.1N), chỉnh và cố định pH theo giá
trị pH tối ưu đã được khảo sát ở mục 2.3.1.1.
- Cho lần lượt vào mỗi becker với 1 lượng gum như nhau với nồng độ 100mg/l; - Đặt 6 becker vào thiết bị Jar-test, lắp các cánh khuấy, khuấy nhanh 180 vòng/phút trong 2 phút, giảm tốc độ quay xuống theo từng giá trị đã chọn trước, giữ tốc độ này trong 15 phút;
- Tắt máy khuấy, sau đó lấy 1 ít mẫu đem phân tích các chỉ tiêu pH, độ dẫn, độ hấp thu, COD;
- Tốc độ khuấy tối ưu sẽ tương ứng với mẫu có độ hấp thu và COD thấp nhất.
2.3.1.3. Xác định thời gian khuấy tối ưu
Cố định các yếu tố pH, tốc độ khuấy, nồng độ gum và màu nhuộm. Thay đổi thời gian khuấy qua các mốc: 15, 30, 45, 60, 90 phút. Trình tự thí nghiệm như sau:
- Cho vào 6 becker đánh số thự tự, mỗi becker 0,5 lít dung dịch màu nhuộm đã được pha với nồng độ nồng độ 50mg/l (SRS) hay 100 mg/L (SBB);
- Dùng dung dịch NaOH (0.1N), acid HCl (0.1N), chỉnh và cố định pH theo giá
trị pH tối ưu đã được khảo sát ở mục 2.3.1.1;
- Cho lần lượt vào mỗi becker với 1 lượng gum như nhau với nồng độ 100mg/l; - Đặt becker vào thiết bị Jar-test, lắp các cánh khuấy, khuấy nhanh 180 vòng/phút
trong 2 phút, giảm tốc độ quay xuống theo tốc độ khuấy tối ưu đã được xác định ở
mục 2.3.1.2 và giữ tốc độ này qua các mốc thời gian đã chọn trước;
- Tắt máy khuấy, sau đó lấy 1 ít mẫu đem phân tích các chỉ tiêu pH, độ dẫn, độ hấp thu, COD;
- Thời gian khuấy tối ưu ứng với mẫu có độ hấp thu và COD thấp nhất. 2.3.1.4. Xác định nồng độ gum tối ưu
Cố định các yếu tố pH, nồng độ màu nhuộm, thời gian và tốc độ khuấy. Khảo sát nồng độ gum ở từ 40 đến 350 mg/l;
trị pH tối ưu đã được khảo sát ở mục 2.3.1.1;
- Cho lần lượt vào mỗi becker với 1 lượng gum đã được chọn để khảo sát;
- Đặt becker vào thiết bị Jar-test, lắp các cánh khuấy, khuấy nhanh 180 vòng/phút
trong 2 phút, giảm tốc độ quay xuống theo tốc độ khuấy tối ưu đã được xác định ở mục 2.3.1.2, và giữ tốc độ này qua các mốc thời gian tối ưu được xác định ở mục
2.3.1.3;
- Tắt máy khuấy, sau đó lấy 1 ít mẫu đem phân tích các chỉ tiêu pH, độ dẫn, độ hấp thu, COD;
- Nồng độ chitosan tối ưu sẽ tương ứng với mẫu có độ hấp thu và COD thấp nhất. 2.3.1.5. Xác định nồng độ màu tối ưu
Cố định các yếu tố pH, nồng độ gum, thời gian và tốc độ khuấy.
Chọn khảo sát nồng độ màu nhuộm ở các mức 20, 50, 80, 100, 120, 140 mg/l Trình tự thí nghiệm như sau:
- Cho vào 6 becker đánh số thự tự, mỗi becker 0,5 lít dung dịch màu nhuộm đã được pha với từng nồng độ đã được chọn trước.
- Dùng dung dịch NaOH (0.1N), acid HCl (0.1N), chỉnh và cố định pH theo giá