6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
2.6. Xác định các đại lượng đặc trưng màng
2.6.1. Khối lượng ngắt phân tử (MWCO), kích thước lỗ xốp trung bình và sự phân bố kích thước lỗ xốp của màng
Để xác định khối lượng ngắt phân tử (MWCO), các PEG với khối lượng phân tử khác nhau được sử dụng làm chất đánh dấu và phương pháp chi tiết đã được mô tả bởi Idris và cộng sự [99], Li và cộng sự [138]. Dung dịch PEG 500 ppm với khối lượng phân tử: 50, 100, 200, 400, 600, 800, 1000 kDa được sử dụng làm dung dịch đầu vào để xác định khối lượng ngắt phân tử của màng siêu lọc [67]. Dung dịch PEG với trọng lượng phân tử 200, 400, 600, 800, 1000, 1500, 2000 Da ở nồng độ 200 ppm được sử dụng cho màng lọc nano [138], [99], [139]. Thí nghiệm được tiến hành trên hệ lọc cross-flow tại áp suất 1 bar cho màng siêu lọc và 4 bar cho màng lọc nano. Nồng độ của dung dịch thấm (Cp) và dung dịch đầu vào (Cf) được xác định bằng máy phân tích TOC (Shimadzu TOC-VCPN, Nhật Bản). Khối lượng ngắt phân tử (MWCO) được đánh giá từ các chỉ thị PEG được giả định là tương đương với khối lượng phân tử của chất tan khi hiệu suất tách chất tan PEG là 90% [249]. Hiệu
suất tách PEG (R, %) được tính theo phương trình:
R = (1-Cp/Cf).100 (2.5)
Bán kính Stokes (r, m) của PEG được tính dựa vào khối lượng phân tử trung bình (Mw) của PEG theo phương trình sau [126], [154], [216]:
r = 16,73. 10-12. Mw0,557 (2.6)
Đường kính trung bình hình học của chất tan (s) được định nghĩa là đường kính Stokes (ds, nm) của chất tan khi độ loại bỏ chất tan là 50%, g là độ lệch chuẩn hình học được định nghĩa là tỉ số của ds tại hiệu suất tách PEG là 84,13% và 50% [138]. Từ đồ thị tuyến tính dạng R = A + B lnds (B là hệ số góc, A là giao tuyến) giữa hiệu suất tách PEG (R) và logarit đường kính Stokes (ds = 2r), ta xác định được
s. Bỏ qua sự phụ thuộc của sự phân tách chất tan vào tương tác thủy động lực học giữa chất tan và kích thước lỗ thì đường kính lỗ hiệu dụng trung bình (p) và độ lệch chuẩn hình học p của màng chính là s và g. Đường phân bố kích thước lỗ xốp (dp, nm) của màng được xác định từ phương trình sau [264]:
dR(dp) ddp = 1 dplnσp√2πexp ((lndp−ln μp 2)2 2(lnσp)2 ) (2.7)
Dung dịch PEG đầu vào dung dịch thấm được phân tích TOC ở Viện Sự sống và Trái đất- Khoa học môi trường (Earth & Life Institute - Environmental Sciences), đại học UCLouvain, Bỉ.
2.6.2. Hàm lượng nước
Hàm lượng nước là thông số xác định tính ưa nước hay kỵ nước của vật liệu, cũng như xác định lượng nước tối đa bên trong vật liệu ở nhiệt độ phòng. Để xác định hàm lượng nước của màng, đầu tiên màng được ngâm trong nước cất 24 giờ để đảm bảo nước được hấp thụ tối đa vào màng. Sau đó, lấy màng ra khỏi nước, dùng giấy lọc thấm khô nước nằm ở bề mặt ngoài và cân. Tiếp theo màng được đặt trong tủ sấy 60 oC. Sau 24 giờ, đưa về nhiệt độ phòng, lấy màng ra và cân lại màng. Hàm
lượng nước của màng được tính theo công thức:
(2.8)
Trong đó: Wc là hàm lượng nước của màng (%); mn là khối lượng của màng ngậm nước (gam); mk là khối lượng của màng khô (gam).
2.6.3. Thông lượng dòng thấm, khả năng kháng tắc nghẽn và hiệu suất phân tách BSA của các màng chế tạo tách BSA của các màng chế tạo
2.6.3.1. Thông lượng dòng thấm (J)
Thông lượng dòng thấm của màng là lượng (thể tích) dòng chảy qua màng trên một đơn vị diện tích màng trong một đơn vị thời gian tại áp suất xác định.
Thông lượng dòng thấm (J) của màng được xác định theo công thức:
𝐉 = 𝐕
𝐀.𝐭 (L/m2.h) (2.9)
Trong đó: V là thể tích dòng chảy qua màng (L hoặc mL); A là diện tích bề mặt hiệu quả của màng (m2 hoặc cm2); t là thời gian lọc (giờ hoặc phút).
2.6.3.2. Tỉ lệ thu hồi thông lượng và các trở lực của màng
Màng UF được đặc trưng bởi khả năng giữ lại các protein có khối lượng phân tử phân biệt. Màng UF được xếp vào loại “danh định” khi kể đến khối lượng phân tử của chất tan thử nghiệm (theo lý tưởng phải là protein có dạng hình cầu) bị loại 90% bởi màng ở điều kiện tiêu chuẩn [5]. Bovine serum albumin là một chất protein mô hình đại diện cho các protein trong các mẫu nước thật có ứng dụng nhiều trong màng siêu lọc UF. Đặc tính chống tắc nghẽn và tỉ lệ thu hồi thông lượng (FRR) của màng đã chuẩn bị được xác định theo quy trình sau:
Xác định thông lượng của nước (Jw1) và của dung dịch bovine serum albumin (BSA) nồng độ 500 mg/L (JP) ở mức áp suất 1 bar với diện tích màng hiệu dụng là 22,9 cm2. Sau khi lọc BSA (Bovine serum albumin) trong 90 phút, các màng bị bẩn được ngâm trong nước cất trong 20 phút. Sau đó, thông lượng nước tinh khiết của
n k C n m m W m
màng đã làm sạch (Jw2) được đo lại và tính toán dựa vào phương trình (2.9). FRR được tính bởi biểu thức (2.10), để xác định các đặc tính chống tắc nghẽn của màng.
𝐅𝐑𝐑(%) = (𝐉𝐰𝟐
𝐉𝐰𝟏) 𝐱 𝟏𝟎𝟎 (2.10)
Ngoài ra, trở lực của màng cũng được tính toán chi tiết, trở lực tổng (Rt), trở lực thuận nghịch (Rr) và trở lực không thuận nghịch (Rir) được tính toán bằng các phương trình sau: 𝐑𝐭(%) = (𝟏 − 𝐉𝐏 𝐉𝐰𝟏) 𝐱 𝟏𝟎𝟎 (2.11) 𝐑𝐫(%) = (𝐉𝐰𝟐−𝐉𝐏 𝐉𝐰𝟏 ) 𝐱 𝟏𝟎𝟎 (2.12) 𝐑𝐢𝐫(%) = (𝐉𝐰𝟏−𝐉𝐰𝟐 𝐉𝐰𝟏 ) 𝐱 𝟏𝟎𝟎 = 𝐑𝐭(%) − 𝐑𝐫(%) (2.13)
Ở đây, Rr là mức độ tắc nghẽn hoàn toàn do sự phân cực nồng độ, Rir là mức độ tắc nghẽn màng không thuận nghịch được gây ra bởi các kết nối ổn định của chất bẩn trên bề mặt màng. Do đó, việc giảm sự tắc nghẽn không thuận nghịch và chỉ số FRR cao có thể thấy ở một màng ưa nước chống tắc nghẽn hiệu quả [137].
2.6.3.3. Hiệu suất phân tách BSA
Nồng độ BSA trong dòng nhập liệu và dòng thấm qua màng được đo bằng máy quang phổ UV-Vis (Lambda 25, PerkinElmer, USA), ở bước sóng 280 nm. Hiệu suất phân tách protein (R) được tính bằng phương trình (2.14):
𝐑(%) = (𝟏 −𝐂𝐂𝐩
𝐟) 𝐱 𝟏𝟎𝟎 (2.14)
Trong đó, Cp và Cf (mg/L) lần lượt là nồng độ BSA trong dòng thẩm thấu và dòng nhập liệu. Để giảm thiểu sai số thí nghiệm, các phép đo dòng thẩm thấu và khả năng loại bỏ các chất bẩn được lặp lại ở ba màng khác nhau để lấy giá trị trung bình.
2.7. Nghiên cứu khả năng hấp phụ Cr(VI) và Pb(II) của vật liệu màng
Các màng CAD, CADA, CAB, CA/MnO2-2, CA/PDA-2 và màng CA/PDA- Ag/MnO2-2 được chọn để nghiên cứu khả năng hấp phụ với Cr(VI) và Pb(II). Để đơn giản trong kí hiệu mẫu cho các hình vẽ mục 3.6, các màng CA/MnO2-2,
CA/PDA-2 và màng CA/PDA-Ag/MnO2-2 được viết gọn là màng CA/MnO2, CA/PDA và màng CA/PDA-Ag/MnO2.
Nồng độ Cr(VI) ở các thí nghiệm khảo sát được xác định bằng phương pháp đo quang trên máy UV-Vis. Đường chuẩn được xây dựng bằng cách đo độ hấp thụ của các dung dịch chuẩn Cr(VI) được pha trong bình định mức 25 mL có chứa 0,5 mL HNO3 đặc và thuốc thử DPC với nồng độ Cr(VI) từ 0,01 ppm đến 0,2 ppm, sau thời gian 5 – 10 phút tiến hành đo mật độ quang của phức tạo thành tại bước sóng 541 nm. Giới hạn phát hiện LOD =12,9 ppb, giới hạn định lượng LOQ = 39,1 ppb.
Nồng độ Pb(II) khảo sát được xác định bằng phương pháp ICP-OES trên thiết bị ICP-OES PerkinElmer Optima 7000 DV. Các đường chuẩn được xây dựng bằng cách đo tín hiệu của các dung dịch chuẩn Pb(II) trong dung dịch HNO3 2% với nồng độ từ 10 ppb đến 200 ppb và từ 0,1 ppm đến 10 ppm. Giới hạn phát hiện LOD =1,4 ppb, giới hạn định lượng LOQ = 4,6 ppb.
2.7.1. Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ
Cho 0,01 gam mỗi màng vào bình nón 100 mL chứa 50 mL dung dịch Cr(VI) nồng độ 5,04 ppm, pH = 3,5; 0,1 gam mỗi vật liệu màng vào bình nón chứa 50 mL dung dịch Pb (II) nồng độ 96,42 ppm và pH = 5,4 và đặt trên máy lắc RotoMix Type 48200 với tốc độ lắc 100 vòng/phút. Sau những khoảng thời gian giống nhau 1 giờ, hút 1 mL mẫu trong bình nón để xác định nồng độ.
2.7.2. Khảo sát ảnh hưởng của pH dung dịch
Cho 0,01 gam vật liệu màng vào 50 mL dung dịch Pb(II) 96,42 ppm được điều chỉnh pH lần lượt là 2,25; 3,48; 4,52; 5,41; 6,32. Mẫu Cr(VI) 5,04 ppm được điều chỉnh pH lần lượt là 2,02; 3,0; 3,50; 4,44; 5,25; 6,35. Các mẫu được lắc với tốc độ 100 vòng/phút trong khoảng thời gian 8 giờ. Sau đó, hút lấy dung dịch, xác định nồng độ Cr(VI) và Pb(II).
2.7.3. Khảo sát nồng độ ban đầu của Cr(VI) và Pb(II)
dịch Cr(VI) khảo sát với những nồng độ khác nhau là 3 -17 ppm ở nhiệt độ phòng, pH = 3,5. Sau đó đặt bình nón lên máy lắc RotoMix Type 48200 và lắc trong thời gian 5 giờ, tốc độ lắc 100 vòng/phút. Lấy mẫu dung dịch và đo lại nồng độ.
Tương tự, với dung dịch Pb(II), cho 0,1 gam mẫu màng vào 50 mL mẫu Pb(II) với nồng độ đầu từ 50-600 ppm vào bình nón 100 mL ở nhiệt độ phòng, pH = 5,4 và đặt lên máy lắc RotoMix Type 48200, tiến hành hấp phụ trong thời gian 8 giờ, tốc độ lắc 100 vòng/phút. Lấy mẫu dung dịch và tiến hành đo lại nồng độ Pb(II) còn lại sau hấp phụ.
2.8. Lọc động và tái sử dụng của màng chế tạo với dung dịch Pb(II) 2.8.1. Lọc động 2.8.1. Lọc động
Một hệ lọc vuông góc (dead-end filtration) ( Hình 2.1b) được sử dụng để khảo sát khả năng tách các ion kim loại nặng. Màng hình tròn có diện tích hiệu dụng 12,56 cm2 được lắp vào vị trí đặt màng của hệ. Đầu tiên, các màng được làm việc với nước cất trong vòng 30 phút để thu được tốc độ dòng ổn định. Sau đó, dung dịch chứa chất cần phân tách được cho vào hệ lọc thay cho nước cất. Mỗi lần sử dụng 100 mL dung dịch Pb(II) với nồng độ 100 ppb. Dung dịch được cho vào hệ lọc, lắp màng và điều chỉnh các tốc độ lọc là 1,52 mL/ph; 0,82 mL/ph và 0,53 mL/ph. Tiến hành đo lại nồng độ dung dịch Pb(II) trong dung dịch thấm qua sau khi lọc. Đến khi nồng độ dung dịch Pb(II) sau lọc lớn hơn 10 ppb thì dừng lọc.
2.8.2. Nghiên cứu tái sử dụng màng
Khả năng tái sử dụng của các vật liệu màng được nghiên cứu bằng cách lặp lại các chu kỳ hấp phụ-giải hấp phụ liên tiếp. Với mục đích này, 50 mL dung dịch HNO3 0,01 M được sử dụng làm dung dịch giải hấp phụ cho màng CA/PDA- Ag/MnO2. Đầu tiên, màng được hấp phụ cân bằng với dung dịch ion chì sau đó chúng được đưa vào dung dịch giải hấp phụ, đặt trên máy lắc và lắc trong 1 giờ, sau đó ngâm trong nước đề ion trong 1 giờ. Sau bước giải hấp phụ, màng tái sinh sau đó được tái sử dụng để khử nhiễm Pb(II) như đã mô tả trước đây. Hơn nữa, lưu lượng nước tinh khiết và loại bỏ BSA đối với màng tái sinh đã được kiểm tra lại.
2.9. Khảo sát đặc tính kháng khuẩn của vật liệu chế tạo được theo phương pháp đếm khuẩn lạc đếm khuẩn lạc
Trong phương pháp này, các vi sinh vật được tiếp xúc trực tiếp lên bề mặt vật liệu và sự ức chế tăng trưởng của chúng có thể được xác định sau một khoảng thời gian nhất định. Ưu điểm của phương pháp này là cho phép xác định số tế bào sống. Đầu tiên, hấp các dụng cụ. Sau đó, chuẩn bị các ống chủng E.coli, Coliforms ở các ngưỡng từ nồng độ 106 đến 107 (CFU/mL). Dùng pipetman và đầu típ vô trùng, hút 1 mL chủng vi sinh vào ống nghiệm chứa 9 mL nước RO đã khử trùng để pha loãng vi khuẩn ở các ngưỡng nồng độ khác nhau (Hình 2.3). Cân vật liệu màng cần xác định, mỗi loại 0,01 gam lần lượt cho vào ống nghiệm đã chứa vi khuẩn E. coli,
Coliform có nồng độ nguyên mẫu. Lắc đều ống nghiệm, đợi 1 giờ rồi dùng pipetman và đầu típ vô trùng chuyển 1 mL dung dịch trong ống nghiệm có chứa vật liệu vào trong đĩa petri. Đổ khoảng 12-15 mL môi trường đã chuẩn bị vào đĩa petri đã cấy mẫu và để nguội đến 45÷55 oC. Xoay nhẹ đĩa petri cùng chiều và ngược chiều kim đồng hồ vài lần để dung dịch được trộn đều trong môi trường cấy. Đậy nắp đĩa petri để đông tự nhiên.
Hình 2.3. Chuỗi pha loãng mẫu theo dãy thập phân [6]
Sau đó, đem ủ ở các chế độ nhiệt tương ứng với từng chủng vi sinh: E. coli ủ ở nhiệt độ 44 oC/24 giờ, Coliforms ủ ở nhiệt độ 37 oC/24 giờ. Lặp lại thí nghiệm ở các ngưỡng nồng độ khác nhau. Mỗi loại vi khuẩn ứng với một nồng độ được cấy trên ba đĩa petri. Sau 24 giờ đọc kết quả[6].
Số tế bào (đơn vị hình thành khuẩn lạc) vi khuẩn trong 1 gam hay 1 mL mẫu theo phương trình:
N (CFU/mL hay CFU/g) = ∑C
(𝑛1𝑣𝑑1 +⋯+𝑛𝑖𝑣𝑑𝑖 ) (2.15)
Trong đó: N là số tế bào (đơn vị hình thành khuẩn lạc) vi khuẩn trong 1 gam hay 1 mL mẫu;C là tổng số khuẩn lạc đếm được trên các hộp petri đã chọn (có số khuẩn lạc nằm trong khoảng từ 25-250 khuẩn lạc/đĩa);ni là số hộp petri cấy tại độ pha loãng thứ i;di là hệ số pha loãng tương ứng; v là thể tích dung dịch mẫu (mL) cấy vào trong mỗi đĩa. Sự mất khả năng tồn tại (LV) để phản ánh sự ức chế tăng trưởng tế bào được xác định bằng cách áp dụng phương trình:
LV(%) =C−S
C . 100 (2.16)
Trong đó: C là số lượng vi sinh vật (N) tính theo CFU/mL được thu hồi từ các mẫu đối chứng sau 24 giờ; S là số lượng vi sinh vật (N) tính theo CFU/mL được thu hồi từ mẫu thử sau 24 giờ.
2.10. Nghiên cứu các điều kiện tối ưu cho quá trình keo tụ tạo bông với dịch chiết hạt chùm ngây
Sấy khô hạt ở 40 oC trong trong 48 tiếng. Bỏ vỏ bọc và lớp lụa của hạt lấy được nhân chùm ngây. Xay nhân chùm ngây này trong máy xay sinh tố trong 3 phút thu được bột chùm ngây. Cân 1 gam bột chùm ngây cho vào 0,1 lít dung dịch NaCl 1M, đặt trên máy khuấy từ trong 30 phút với tốc độ 130 vòng/phút. Sau đó lọc dung dịch lần một trên giấy lọc rồi lọc lần hai qua màng sợi thủy tinh lỗ 0,4 µm ta thu được dịch chiết chùm ngây [18].
2.10.1. Xác định khoảng cách que khuấy so với đáy cốc thủy tinh
Khuấy đều và dùng ống đong lấy vào 6 cốc, mỗi cốc 1000 mL nước lũ M0 có độ đục 430 FTU. Cho vào mỗi cốc 5 mL dịch chiết chùm ngây. Đặt các cốc vào vị trí của máy Jartest. Điều chỉnh khoảng cách que khuấy so với đáy cốc thủy tinh tương ứng: 2,5; 4; 5; 6; và 7 cm. Đặt chế độ khuấy nhanh 150 vòng/phút duy trì 3
phút và khuấy chậm 15 vòng/phút duy trì 20 phút. Theo dõi quá trình lắng bông cặn trong các cốc theo thời gian. Sau 30 phút, 60 phút, 120 phút dùng pipet hút nước cách mặt 2-3 cm thu được nước sau khi keo tụ bằng dịch chiết chùm ngây (mẫu nước M1). Đo độ đục mẫu nước M1 để xác định khoảng cách tối ưu của que khuấy so với đáy cốc. Tiến hành thí nghiệm lặp lại ba lần để lấy kết quả trung bình. Độ đục được xác định bằng máy đo độ đục MP975.
2.10.2 Thí nghiệm xác định thể tích dịch chiết chùm ngây tối ưu
Sau khi xác định được chiều cao que khuấy tối ưu, đặt que khuấy tại vị trí tối ưu 6 cm cho 6 vị trí trên Jartest. Tương tự lấy 1000 mL các mẫu nước đục 430 và 253 FTU cho vào hệ Jartest. Thêm dịch chiết chùm ngây vào 6 cốc trên với các thể tích 0; 2,5; 4; 5; 6 và 8 mL. Khuấy nhanh 150 vòng/phút, duy trì trong 3 phút đầu và khuấy chậm 15 vòng/phút, duy trì trong 20 phút. Dừng khuấy, theo dõi quá trình keo tụ tạo bông trong các cốc sau các khoảng thời gian: 30 phút, 60 phút, 120 phút. Đo độ đục mẫu nước sau lắng để xác định thể tích dịch chiết chùm ngây tối ưu.Tiến hành thí nghiệm lặp lại ba lần để lấy kết quả trung bình.
2.10.3. Thí nghiệm xác định tốc độ khuấy tối ưu
2.10.3.1. Tốc độ khuấy nhanh duy trì trong thời gian 3 phút đầu
Cho 5 mL dịch chiết chùm ngây vào các cốc chứa mẫu M0-366 FTU. Que khuấy cách đáy 6 cm, thực hiện các thí nghiệm lần lượt cho các cốc từ 1 đến 6 ứng