7. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN
1.4.2 Giới thiệu về kháng sinh tetracycline hydrochloride
Tetracycline (TC) là một nhóm lớn gồm các loại thuốc kháng sinh được sử dụng phổ biến trong nuôi trồng thủy sản và thuốc thú y, chiếm khoảng 29% tổng số kháng sinh sử dụng.
Hình 1.10 Tinh thể TC Hình 1.11 Công thức hóa học của TC
Kháng sinh tetracycline hydrochloride có tên biệt dược là Achromycin, Economycin. TC ban đầu được phân lập từ môi trường nuôi cấy nấm, hiện nay được chế tạo bằng phương pháp tổng hợp và dùng dưới dạng muối hydrochloride. Kháng sinh có dạng bột kết tinh vàng tươi, không mùi, vị rất đắng. Sản phẩm bền vững trong không khí khô nhưng dễ bị phân huỷ khi gặp điều kiện ẩm ướt hoặc có ánh sáng. TC tan được trong nước, ít tan trong etanol 960, tan trong dung dịch acid và kiềm loãng, hầu như không tan trong axeton, ete, clorofom. Dung dịch TC để lâu trở lên đục và xuất hiện tủa tetracycline. Ngoài ra, TC có khả năng phát huỳnh quang vàng trong ánh sáng UV. Về hóa tính, TC là hợp chất hữu cơ lưỡng tính (với nhóm dimetylamin có tính bazơ và các nhóm -OH vòng thơm có tính acid), khử thuốc thử Fehling cho kết tủa Cu2O
màu đỏ nâu, tạo phức với các ion kim loại: Fe3+, Zn2+, Cu2+,... Các chelate tạo thành có màu và vị trí liên kết với ion kim loại thay đổi theo pH .
Nhóm kháng sinh tetracycline bao gồm tetracycline, oxytetracycline, clotetracycline, doxycycline, ... có phổ hoạt động rất rộng, là kháng sinh ức chế vi khuẩn ở nồng độ thấp và diệt khuẩn ở nồng độ cao. Kết quả làm kháng sinh đồ trên cho thấy hơn 81% số chủng vi khuẩn Aeromonas spp. nhạy với doxycycline. So với docyxycline, tetracycline đã giảm tác dụng chỉ còn 58% số chủng vi khuẩn nhạy thuốc. Hiện nay theo khuyến cáo của cơ quan thủy sản, người nuôi thủy sản có thể sử dụng kháng sinh nhóm tetracycline trên để thay thế chloramphenicol và nitrofurans đã bị cấm dùng trong sản xuất, kinh doanh thủy sản ở nước ta. Do sự hấp phụ kém, hầu hết TC được bài tiết qua phân và nước tiểu dưới dạng các hợp chất bền khó phân hủy. Theo Jiang và cộng sự [24], thời gian bán hủy của tetracycline trong môi trường có thể lên tới 180 ngày. Vì vậy nguy cơ tồn dư tetracycline trong môi trường là rất lớn, nên cần có những nghiên cứu cụ thể về vấn đề này.
* Trên cơ sở phân tích tổng quan tài liệu có thể rút ra kết luận như sau: - TiO2 có thể được mang trên các chất mang có diện tích bề mặt riêng lớn giúp tăng cường hiệu quả xử lý và dễ thu hồi sau xử lý. Các chất mang có thể là trơ hoặc có thể có hiệu ứng hiệp trợ với TiO2. Hiện nay có rất nhiều chất được lựa chọn để làm chất mang cho TiO2 hạn như silicon, nhôm oxit, kẽm oxit, các viên thủy tinh, …
- Các nghiên cứu về xúc tác TiO2 chủ yếu được thực hiện ở quy mô phòng thí nghiệm, khảo sát trên hệ phản ứng gián đoạn. Xúc tác được tổng hợp dưới dạng bột nên khó khăn trong việc lọc, thu hồi và tái sử dụng xúc tác. Đây là một trở ngại lớn khi áp dụng vào các hệ thống xử lý chất thải theo nguyên lý liên tục ở thực tế;
- Các hệ thống phản ứng xúc tác quang hoá theo nguyên lý liên tục đòi hỏi chất xúc tác không những tiếp xúc tốt với các tác chất mà còn phải tiếp xúc với ánh sáng theo cường độ cao nhất. Vì vậy, ngoài xúc tác quang hoá dạng
bột, dạng hạt cần nghiên cứu một dạng xúc tác quang hoá đặc thù, có liên kết tốt với hệ thống phản ứng và đáp ứng được các yêu cầu trên.
- Sử dụng ánh sáng mặt trời làm tác nhân quang hoá góp phần tiết kiệm năng lượng nhưng đòi hỏi phải được nghiên cứu một cách hệ thống vì đó là nguồn ánh sáng không ổn định theo thời gian, địa điểm và thời tiết. Với những lý do trên, ý tưởng của đề tài luận án là hướng tới việc nghiên cứu phát triển các chất xúc tác quang hóa trên cơ sở TiO2 nano có hoạt tính cao, được điều chế đơn giản từ các nguồn nguyên liệu sẵn có, xử lý hiệu quả các chất ô nhiễm, có khả năng áp dụng linh hoạt trên các hệ phản ứng gián đoạn và liên tục. Cụ thể:
+ Điều chế vật liệu C,N,S-TiO2 từ nguồn Ti có trong quặng ilmenite Bình Định và đồng pha tạp C N, S lấy từ thiourea.
+ Vật liệu được đưa lên bề mặt thuỷ tinh bằng phương pháp nhúng phủ, sử dụng chất kết dính silicon.
Chương 2. THỰC NGHIỆM 2.1 HÓA CHẤT VÀ DỤNG CỤ 2.1.2 Hóa chất Bảng 2.1 Danh mục hóa chất Hóa chất Nguồn gốc Quặng ilmenite Bình Định Thiourea CS(NH2)2 Merck
Sulfuric acid (H2SO4) Trung Quốc
Ethanol (C2H5OH) Trung Quốc
Phôi bào sắt Việt Nam
Tetracycline hydrochloride (C22H24N2O8.HCl) Việt Nam
Barium chloride BaCl2 Trung Quốc
2.1.1 Dụng cụ
- Cốc thuỷ tinh 250 ml, cốc thủy tinh 500 ml, phễu chiết, pipet, ống đong. - Cối mã não, cốc nung, giấy pH, giấy lọc, giấy bạc.
- Máy khuấy từ, cân phân tích.
- Tủ sấy, tủ nung, máy đo quang, máy ly tâm.
- Bình Autoclave (bên trong chứa bình được làm từ nhựa Teflon dung tích 250ml).
- Đèn LED 220V – 40 W (hãng Phillips). 2.2 TỔNG HỢP VẬT LIỆU
* Phân hủy tinh quặng ilmenite
Cho 138ml dung dịch acid sulfuric H2SO4 98% vào bình cầu chịu nhiệt dung tích 500 ml của Đức rồi cho từ từ 50g quặng Ilmenite vào với tỉ lệ quặng/acid H2SO4 là 1/3 (theo thể tích). Hỗn hợp được đun nóng trong 1 giờ ở nhiệt độ 180÷2000C. Dùng máy khuấy cơ với tốc độ 500 vòng/phút trộn đều hỗn hợp. Trong thời gian phân hủy mẫu, duy trì nhiệt độ trong khoảng 180÷200oC.
TiO2 +2H2SO4 → Ti(SO4)2 + 2H2O (2.1) FeO + H2SO4 → FeSO4 + H2O (2.2) Fe2O3 + 3H2SO4 → Fe2(SO4)3 + 3H2O (2.3)
Hình 2.2 Quá trình phân huỷ quặng
*Hòa tách và khử sắt
Khối sản phẩm sau khi phân huỷ được để nguội tự nhiên đến 60oC rồi đem hoà tách bằng 380 ml dung dịch acid H2SO4 0,005M, trên bếp khuấy từ gia nhiệt trong khoảng 3 giờ ở nhiệt độ khoảng 70oC. Để lắng hỗn hợp khoảng 8 giờ, sau đó gạn lấy phần dung dịch lọc và bỏ rắn.
Hình 2.3 Dung dịch chứa Fe3+ và Ti4+ sau khi hòa tách
Phần dung dịch lọc sau khi tách bã rắn được tiến hành tách loại sắt bằng cách dùng 7,6 gam phôi sắt khử Fe3+ thành Fe2+ trong vòng 4 phút ở 70oC đến khi có sự chuyển màu hoàn toàn từ màu nâu đỏ của ion Fe3+ sang màu tím đậm của ion Ti3+. Các phản ứng xảy ra theo thứ tự như sau:
Fe + 2H+ Fe2+ + H2 (2.4) Fe + 2Fe3+
3 Fe 2+ (2.5)
Làm lạnh dung dịch sau khi khử sắt ở nhiệt độ khoảng -2oC ÷ -5oC trong tủ lạnh khoảng 8 giờ, khi đó Fe2+ sẽ được tách ra dưới dạng FeSO4.7H2O kết tinh. Tiến hành lọc lạnh để tách sắt ra dưới dạng FeSO4.7H2O. Dung dịch sau cùng thu được chứa ion Ti3+ có màu tím.
Fe + 2TiO2+ + 4H+ Fe2+ + 2Ti3+ + 2H2O (2.6)
Hình 2.5 Dung dịch chứa Ti3+
* Thủy phân dung dịch TiOSO4
Pha loãng dung dịch TiOSO4 10 lần với nước bằng cách cho vào bình cầu 500ml có nhánh chịu nhiệt: x ml dung dịch TiOSO4, tiếp đó thêm vào bình cầu 9x ml nước cất hai lần. Đặt bình cầu trên thiết bị gia nhiệt. Tiến hành thủy phân dung dịch ở 100oC (giữ ổn định) trong 2 giờ thu được kết tủa màu trắng.
TiOSO4 + (n+1) H2O TiO2.nH2O + H2SO4 (2.7)
Cô cạn lấy kết tủa, rửa kết tủa nhiều lần bằng nước đến pH không đổi (pH = 3) và rửa lại 1 lần cuối bằng etanol. Kết tủa được sấy khô ở 80oC trong 3 giờ, sau đó nung ở nhiệt độ 450oC trong 2 giờ thu được sản phẩm cuối cùng là bột TiO2.
Hình 2.6 Bột TiO2 tổng hợp từ quặng Ilmenite
2.2.2 Tổng hợp vật liệu TiO2 đồng pha tạp C, N, S
Lấy 3,6 g TiOSO4 và 1,71 g CS(NH2)2 (tỉ lệ về số mol TiO2 : thiourea là 2 : 1) cho vào cốc thủy tinh 250 ml. Sau đó thêm tiếp vào cốc 100 ml nước cất. Khuấy hệ này trên máy khuấy từ trong vòng 1h. Cho hỗn hợp trên vào bình teflon và đưa tất cả hệ vào bình thép. Sau đó tiến hành thủy nhiệt ở nhiệt độ 1800C trong 12h. Sau khi thủy nhiệt, hệ được lấy ra và để nguội tự nhiên đến nhiệt độ phòng. Lọc kết tủa trắng thu được rồi rửa nhiều lần bằng nước cất đến khi nước lọc có pH không đổi. Sản phẩm thu được sấy khô ở 800C trong 3 giờ và tiến hành nung ở 4500C trong 2 giờ thu được vật liệu TiO2 đồng pha tạp C, N, S [9].
2.2.3 Cố định vật liệu TiO2 đồng pha tạp C, N, S lên pha nền
Cơ sở lý thuyết: Mục đích của việc phân tán TiO2 đồng pha tạp C, N, S trên pha nền là để thuận lợi trong việc ứng dụng thực tế xử lý nước thải nuôi trồng thủy sản (nuôi tôm), dễ hoàn nguyên xúc tác.
Lấy tấm kính hình tròn có độ dày 2mm, đường kính miếng thủy tinh cỡ 32mm đã được phủ sẵn lớp dung dịch silicon trong suốt. Sau đó phủ lên bề mặt silicon một lượng xác định m gam C,N,S–TiO2 tương ứng cho quá trình xử lý 100ml tetracycline hydrochloride rồi để xúc tác và silcon khô tự nhiên ta thu được tấm vật liệu TiO2pha tạp C, N, S đã gắn trên pha nền. Kết quả phân tán C,N,S-TiO2 trên thủy tinh được thể hiện nhưhình 2.8
(a) (b)
Hình 2.8 Đế thủy tinh gắn silicon (a) và để thủy tinh gắn silicon có
phủ xúc tác (b)
2.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU 2.3.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 2.3.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
- Nguyên tắc
Phương pháp nhiễu xạ tia X dựa trên cơ sở của sự tương tác giữa chùm tia X với cấu tạo mạng tinh thể. Khi chùm tia X đi tới bề mặt tinh thể và đi vào bên trong mạng lưới tinh thể thì mạng lưới này đóng vai trò như một cách tử nhiễu xạ đặc biệt. Trong mạng tinh thể, các nguyên tử hay ion có thể phân bố trên các mặt phẳng song song với nhau. Khi bị kích thích bởi chùm tia X, chúng
Nguyên tắc cơ bản của phương pháp nhiễu xạ Rơnghen để nghiên cứu cấu tạo mạng tinh thể dựa vào phương trình Vulf-Bragg:
2dsin = n (2.1) Trong đó n: bậc nhiễu xạ (n = 1, 2, 3...)
: bước sóng của tia Rơnghen (nm)
d: Khoảng cách giữa các mặt phẳng tinh thể
: góc phản xạ
Hình 2.9 Sự phản xạ trên bề mặt tinh thể
Từ cực đại nhiễu xạ trên giản đồ, góc 2 sẽ được xác định. Từ đó suy ra d theo hệ thức Vulf-Bragg. Mỗi vật liệu có một bộ các giá trị d đặc trưng. So sánh giá trị d của mẫu phân tích với giá trị d chuẩn lưu trữ sẽ xác định được đặc điểm, cấu trúc mạng tinh thể của mẫu nghiên cứu. Chính vì vậy, phương pháp này được sử dụng để nghiên cứu cấu trúc tinh thể, đánh giá mức độ kết tinh và phát hiện ra pha tinh thể lạ của vật liệu.
Dựa vào vị trí và cường độ các pic nhiễu xạ trên giản đồ ghi được của mẫu để xác định thành phần pha, các thông số mạng lưới tinh thể, khoảng cách giữa các mặt phản xạ trong tinh thể. Từ giản đồ nhiễu xạ tia X, người ta có thể tính được kích thước trung bình của các hạt TiO2 theo công thức Scherrer:
(nm)
Trong đó: r: kích thước tinh thể trung bình (nm)
(Å): độ dài bước sóng tia X; K = 0,89, khi dùng anot Cu
: bề rộng (FWHM) tại nửa độ cao của pic cực đại (radian) 0.89 r cos
: góc nhiễu xạ Bragg ứng với pic cực đại (độ) - Thực nghiệm
Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu nghiên cứu được ghi trên máy D8 Advance 5005 Bruker. Điều kiện ghi: bức xạ K của anot Cu ( = 0,15406nm), nhiệt độ ghi 25oC, góc quét 2 từ 20o đến 80o và tốc độ quét 0,03o/s.
Mẫu được đo tại khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội.
2.3.2. Phương pháp phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX)
Phổ tán sắc năng lượng tia X, hay Phổ tán sắc năng lượng là kỹ thuật phân tích thành phần hóa học của vật rắn dựa vào việc ghi lại phổ tia X phát ra từ vật rắn do tương tác với các bức xạ (mà chủ yếu là chùm điện tử có năng lượng cao trong các kính hiển vi điện tử).
- Nguyên tắc
Kỹ thuật EDX chủ yếu được thực hiện trong các kính hiển vi điện tử, ở đó ảnh vi cấu trúc vật rắn được ghi lại thông qua việc sử dụng chùm điện tử có năng lượng cao tương tác với vật rắn. Khi chùm điện tử có năng lượng lớn được chiếu vào vật rắn sẽ xuyên sâu vào nguyên tử vật rắn và tương tác với các lớp điện tử bên trong của nguyên tử. Tương tác này dẫn đến việc tạo ra các tia X có bước sóng đặc trưng tỉ lệ với nguyên tử số (Z) của nguyên tử theo định luật Mosley: 4 2 15 2 3 2 0 3 1 2, 48.10 1 8 4 e e m q f Z Hz Z h e
Có nghĩa là, tần số tia X phát ra là đặc trưng với nguyên tử của mỗi chất có mặt trong chất rắn. Việc ghi nhận phổ tia X phát ra từ vật rắn sẽ cho thông tin về các nguyên tố hóa học có mặt trong mẫu đồng thời cho các thông tin về tỉ phần các nguyên tố này.
Hình 2.10. Nguyên lý của phép phân tích EDX
Khi chùm điện tử có năng lượng cao tương tác với các lớp vỏ điện tử bên trong của nguyên tử vật rắn, phổ tia X đặc trưng sẽ được ghi nhận.
- Thực nghiệm
Phổ tán xạ năng lượng tia X của vật liệu được đo bằng máy EDS ISIS 300 Oxford, Anh, gắn kèm máy hiển vi điện tử JEOL JEM 5410 LV tại Khoa Vật lý, Trường Đại Học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc Gia Hà Nội. 2.3.3.Phương pháp phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại - khả kiến (UV-Vis DRS)
- Nguyên tắc
Khi dòng ánh sáng va đập vào mẫu rắn có hai loại phản xạ xảy ra: phản xạ gương và phản xạ khuếch tán. Phản xạ gương (specular reflectance) liên quan đến quá trình phản xạ của dòng tia tới và tia phản xạ có cùng góc (như gương phẳng). Phản xạ khuếch tán (diffuse reflection) liên quan đến dòng tia tới phản xạ theo tất cả mọi hướng. Phổ phản xạ khuếch tán nằm ở vùng khả kiến hay vùng tử ngoại còn gọi là phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại khả kiến (từ đây gọi là phổ UV – Vis – DRS). Đối với vật liệu hấp thụ ánh sáng khi dòng tia tới có cường độ (Io) chiếu vào, vật liệu hấp thụ đi qua một lớp mỏng có độ dày là x, với hệ số hấp phụ KT. Cường độ (I) của tia ló được tính theo định luật Lambert:
T K x o
I I e
Khi kích thước của hạt nhỏ hơn tiết diện ngang của dòng tia tới nhưng lớn hơn tương đối độ dài bước sóng, hiện tượng nhiễu xạ cũng xảy ra bởi vì có sự
giao thoa với các bước sóng khác. Trong vật liệu bột, các hạt có kích thước như vậy định hướng ngẫu nhiên theo các hướng khác nhau, một phần của ánh sáng tia tới sẽ đi trở lại bán cầu chứa nguồn tia sáng. Hiện tượng phát sinh từ sự phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ và hấp thụ bởi các hạt định hướng một cách ngẫu nhiên được gọi phản xạ khuếch tán, ngược với phản xạ gương trên bề mặt biên hạt. Đối với trường hợp phản xạ khuếch tán lý tưởng, sự phân bố góc của tia phản xạ phụ thuộc vào góc tia tới và tuân theo định luật Lambert Cosine. Định luật này phát biểu rằng sự giảm tia bức xạ trên một đơn vị bề mặt là tỉ lệ với cosin của tia tới i và cosin của tia ló e. Nếu kích thước của hạt tương tự hay nhỏ hơn bước sóng thì sự đóng góp của sự phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ vào cường độ và