5. Cấu trúc luận văn
1.5.4. Chế phẩm visinh Remediate
Chế phẩm vi sinh Remediate được sản xuất bởi công ty Zeigler - Hoa Kỳ (hình 2) bao gồm các chủng vi sinh vật: Bacillus Subtilis (B.subtilis), B.
licheniformis, B.amyloliquefaciens, B.megaterium và B.pumilus có tác dụng
phân huỷ nhanh các hợp chất hữu cơ, làm mất mùi hôi, kích thích sự phát triển các vi khuẩn có lợi, cạnh tranh môi trường sống, làm giảm số lượng vi khuẩn có hại gây bệnh, làm ổn định môi trường.
Hình 1. 9. Chế phẩm vi sinh Remediate
Đã có nhiều nghiên cứu giải thích cơ chế tác động của các chế phẩm vi sinh, song vẫn còn có nhiều ý kiến khác nhau. Sau đây là tóm tắt những kiểu tác động của chúng đến nước thải hồ nuôi tôm được nhiều nhà khoa học chấp nhận [37, 48].
-Phân hủy các chất thải: Bacillus tiết ra enzyme phân hủy các chất như cacbonhydrate, chất béo và đạm thành những đơn vị nhỏ hơn, giúp giảm chất hữu cơ trong nước hồ nuôi, giảm hàm lượng COD, BOD. Chúng cũng có khả năng phân hủy các chất hữu cơ tích lũy trong nền đáy hồ nuôi tôm.
-Giảm chất độc NH3, H2S: Trong điều kiện kỵ khí, các axit amin không được vô cơ hóa hoàn toàn, bên cạnh NH3 và CO2 còn tích lũy nhiều loại hợp chất hữu cơ khác như axit hữu cơ, H2S và những dẫn suất của nó như mecaptan, các chất độc như diamin và tomain, indon và scaton,... Đây là lý do người nuôi luôn phải duy trì hàm lượng oxy hòa tan cao, nhất là oxy ở đáy hồ luôn cao để đảm bảo quá trình phân hủy hữu cơ xảy ra hoàn toàn. Ứng dụng Bacillus trong trường hợp này làm tăng quá trình phân hủy hữu cơ, làm giảm các chất dư thừa tích tụ đáy hồ, giảm phát sinh khí độc, mùi hôi đáy hồ.
-Ức chế tác nhân gây bệnh: Có rất nhiều nghiên cứu chứng minh vi khuẩn có thể tiết vào môi trường chất có tính sát khuẩn hoặc kìm hãm khuẩn gây ảnh hưởng đến quần thể vi sinh khác. Mục đích gián tiếp là cạnh tranh dinh dưỡng và năng lượng có sẵn trong môi trường. Nghiên cứu của Stein (2005) cho thấy tiềm năng sản sinh chất kháng sinh của B. Subtilis đã được ghi nhận hơn 50 năm qua. Hiện nay tác giả đã tổng kết có vài trăm dòng vi khuẩn B. Subtilis có khả năng tiết ra hơn 20 chất kháng sinh với cấu trúc khác nhau, bao gồm: subtilin, ericin, mersacidin, sublancin, subtilosin, surfactin, iturin, bacillibactin, bacillmycin, mycosubtilin, fengycin, plipastatin, corynebactin, bacilysin, difficidin, oxydifficicin, bacilysocin, rhizocticin, amicoumacin, mysobaccillin,... Hầu hết các chất được tiết ra trong ruột, trên bề mặt cơ thể vật chủ hay ra môi trường nước làm rào cản sự nhân lên của vi khuẩn cơ hội gây ức chế các vi sinh vật gây bệnh.
Chương II. THỰC NGHIỆM 2.1. THIẾT BỊ, HÓA CHẤT, DỤNG CỤ
2.1.1. Thiết bị
Cân phân tích điện tử
Bộ máy khuấy
Máy lọc hút chân không
Máy đo quang
Máy đo pH
Máy phá mẫu COD
Tủ sấy
Tủ ủ BOD
2.1.2. Hóa chất
Tên hóa chất Nguồn gốc
- H2SO4 (98%) Trung Quốc
- Bi(NO3)3.5H2O (99%) Ấn Độ
- KI (99%) Ấn Độ
- TiO2 Điều chế từ quặng ilmenite Bình Định
- Ethanol C2H5OH (99%) Việt Nam - Dung dịch NH4OH (98%) Trung Quốc - Kháng sinh tetracyclin hydroclorid:
C22H25ClN2O8 (99%)
Viện Kiểm Nghiệm TP. HCM
- Nước thải hồ nuôi tôm Đầm Thị Nại, Bình Định - Chế phẩm vi sinh Remediate Công ty Zeigler (Mỹ)
2.1.3. Dụng cụ
Bình định mức 25 mL, 50 mL, 100 mL, 250 mL, 500 mL, 1000 mL
Bình tam giác
Giấy lọc 0,45 µm
Giấy lọc thường
Cốc thủy tinh
Chai BOD 300 mL
Đũa thủy tinh
Ống COD có nắp 16 x 100 mm
Ống đong
2.1.4. Giới thiệu về vật liệu composite BiOI/TiO2
2.1.4.1. Hình thái cấu trúc của vật liệu
Hình thái bề mặt của vật liệu composite BiOI/TiO2 được đặc trưng bằng phương pháp hiển vi điện tử quét, kết quả chụp ảnh SEM được trình bày ở Hình 1.6.
Hình 2. 1. Ảnh SEM của vật liệu (a) BiOI; (b) TiO2 và (c) composite BiOI/TiO2
Kết quả từ ảnh SEM ở hình 1.6 cho thấy, BiOI được tạo thành ở dạng các mảnh (hoặc tấm), kích thước không đồng đều (khoảng 1 – 5 m), sắp xếp ngẫu nhiên (hình 1.6a). Trong khi đó, TiO2 ở dạng hạt, khá đồng đều với kích thước vào khoảng 30 nm (hình 1.6b). Và composite BiOI/TiO2 (hình 1.6c) cho thấy các hạt nano TiO2 phủ trên bề mặt các mảnh BiOI, bề mặt của vật liệu có độ mấp mô cao.
Cấu trúc tinh thể của vật liệu được nghiên cứu theo phương pháp nhiễu xạ tia X, giản đồ XRD của các mẫu TiO2, BiOI và composite BiOI/TiO2 được trình
bày ở hình 1.7.
Kết quả phân tích nhiễu xạ tia X đối với các mẫu vật liệu cho thấy, giản đồ XRD của BiOI có các pic nhiễu xạ đặc trưng ở góc 2 lần lượt là 29,6; 31,6; 37,2; 39,3; 45,4; 51,4 và 55,1o tương ứng với các mặt tinh thể (102), (110), (103), (104), (200), (114) và (122) (theo thẻ chuẩn JCPDS No.10-0445). Trong khi đó, giản đồ XRD của TiO2 xuất hiện các pic tại các vị trí góc nhiễu xạ 2
lần lượt 25,2; 36,8; 37,7; 38,5; 48,5; 53,9 và 55,1o tương ứng với các mặt mạng (101), (103), (004), (112), (200), (105) và (211) đặc trưng cho pha tinh thể anatase (theo thẻ chuẩn JCPDS No. 21-1272); pic ở góc 2 = 27,5° tương ứng với mặt tinh thể (110) đặc trưng cho pha rutile (theo thẻ chuẩn JCPDS No. 21-
1276).
Hình 2. 2. Giản đồ XRD của các mẫu vật liệu
Trong khi đó, giản đồ XRD của mẫu composite BiOI/TiO2 chỉ xuất hiện các pic đặc trưng của các cấu tử ban đầu là BiOI và TiO2, không có các pic lạ. Như vậy, mẫu composite BiOI/TiO2 không có sự thay đổi về cấu trúc tinh thể của các cấu tử riêng lẻ và do đó, hợp phần tạo ra chỉ có thể ở dạng ghép cặp
bán dẫn theo kiểu composite.
2.1.4.2. Đặc trưng liên kết hóa học của vật liệu
Liên kết hóa học trong các mẫu vật liệu được đặc trưng theo phương pháp phổ hồng ngoại FT-IR, kết quả nghiên cứu được trình bày ở hình 1.8.
Hình 2. 3. Phổ FT-IR của các mẫu vật liệu
Kết quả từ hình 1.8 cho thấy, tất cả các mẫu đều có pic dao động hóa trị của nhóm OH do nước hấp phụ vật lí (3435,22 cm-1); dao động biến dạng của nhóm OH do nước hấp phụ hóa học (1632,78 cm-1). Các mẫu BiOI và composite BiOI/TiO2 xuất hiện pic dao động với cường độ khá mạnh ở 1383,20 cm-1 được cho là dao động hóa trị của liên kết BiO-I. Trong khi đó, các mẫu TiO2 và composite BiOI/TiO2 xuất hiện pic ở vùng 667,78 cm-1 đặc trưng cho dao động hóa trị của liên kết Ti-O-Ti. Ngoài ra, trên phổ FT-IR của mẫu composite còn xuất hiện pic ở khoảng 1060,89 cm-1, tại vị trí này được cho là dao động hóa trị của liên kết Bi-O-Ti hình thành trên bề mặt giữa BiOI và TiO2. Như vậy, kết quả từ giản đồ XRD và phổ FT-IR đã minh chứng cho thấy composite đã được chế tạo thành công.
composite đã được chế tạo thành công.
2.1.4.3. Tính chất hấp thụ quang của vật liệu
Khả năng hấp thụ quang của vật liệu được xác định theo phương pháp phổ khuếch tán tử ngoại-khả kiến (UV-Vis-DRS), kết quả được trình bày ở hình 1.9a.
Hình 2. 4. (a) Phổ UV-Vis-DRS và (b) xác định năng lượng Eg của các mẫu vật liệu
Kết quả từ hình 1.9a cho thấy, mẫu vật liệu TiO2 có bờ hấp thụ ánh sáng trong vùng tử ngoại tương ứng với bước sóng dưới 400 nm; trong khi đó, mẫu vật liệu BiOI có bờ hấp thụ ánh sáng nằm trong vùng khả kiến (450-650 nm) và vật liệu composite BiOI/TiO2 có bờ hấp thụ ánh sáng trải dài từ vùng tử ngoại sang khả kiến (350-500 nm). Trên cơ sở phổ UV-Vis-DRS (hình 1.9a), năng lượng vùng cấm (Eg) của các mẫu vật liệu được xác định theo phương trình: (αhν)1/2 = C(hν -Eg)
Trong đó: h là hằng số Planck, C là hằng số, Eg là năng lượng vùng cấm
và ν là tần số kích thích.
Kết quả xác định từ hình 1.9b cho thấy, giá trị Eg của các mẫu vật liệu BiOI; TiO2 và composite BiOI/TiO2 lần lượt là 1,87; 2,7 và 3,22 eV. Như vậy, khi kết hợp hai chất bán dẫn ban đầu (BiOI và TiO2) thành dạng composite đã làm thay đổi đáng kể tính chất hấp thụ quang và năng lượng vùng cấm của vật liệu. Và điều này có thể làm gia tăng hoạt tính xúc tác của vật liệu composite so với các cấu tử riêng lẻ.
2.2. PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH
2.2.1. Phương pháp xác định pH theo TCVN 6492:2011 (ISO 10523 : 2008) về chất lượng nước
Nguyên tắc:
pH là đại lượng đặc trưng cho tính acid hay kiềm trong mẫu nước và được định nghĩa theo hàm toán học sau:pH = - log {H+}
Phản ứng phân ly của nước được thể hiện theo phương trình: H2O H+ + OH-
Theo định luật khối lượng có thể viết:
2 2 H O H OH K H O [H+][OH-] = KH O2 x [H2O] = KW Trong đó: KW – tích số ion của nước
[H+][OH-] – nồng độ của ion H+ và ion OH- [H2O] – nồng độ nước không phân ly
2
H O
K – hằng số phân ly của nước. Ở nhiệt độ 25oC, KW = 2 H O K x [H2O] = 16 1000 14 1.8 10 10 18 [H+] = [OH-] = 10-7
Giá trị pH được thể hiện theo thang đo từ 0 – 14, trong đó pH =7 được xem là pH trung tính.
Cách tiến hành:
Nhúng điện cực thủy tinh vào dung dịch mẫu, kết quả đo pH được hiển thị trực tiếp trên màn hình của máy đo. Để đảm bảo độ chính xác của kết quả, cần chỉnh pH của máy theo các giá trị dung dịch đệm đi kèm. Hai dung dịch đệm chuẩn thường sử dụng có pH = 7 và pH = 4.
Sau khi đo, cần rửa sạch điện cực, lau khô và đậy nắp bảo vệ. Luôn chú ý giữ đầu điện cực nhúng chìm trong dung dịch bảo quản (KCl 3N).
2.2.2. Phương pháp xác định NH4+ theo TCVN 2662:1978 về chất lượng nước
Nguyên tắc
NH4+ trong môi trường kiềm phản ứng với thuốc thử Nessler (K2HgI4), tạo thành phức có màu vàng hay màu nâu sẫm phụ thuộc vào hàm lượng NH4+ có trong nước. Ta có phản ứng:
2 K2HgI4 + NH3 + 3KOH = Hg(HgIONH2) + 7KI + 2H2O (màu vàng)
2K2HgI4 + NH3 + 3KOH =Hg(HgI3NH2) + 5KI + 2H2O (màu vàng nâu)
Hóa chất
Dung dịch Xây nhét 25%: Cân 25 g muối kali natri tactrat hòa tan thành 100 mL bằng nước cất.
Dung dịch Nessler: Cân 17 g HgCl2 hòa tan trong 300 mL nước cất (dd1), cân 35 g KI hòa tan trong 100 mL nước cất (dd2). Đổ từ từ dung dịch (1) vào dung dịch (2), khuấy đều cho đến khi xuất hiện kết tủa đỏ mới thôi, thêm dung dịch NaOH 20% đến thể tích 1 lít, tiếp tục thêm HgCl2 cho tới lúc xuất hiện kết tủa bền. Để yên 1 ngày rồi gạn lấy nước trong. Dung dịch pha xong sẽ có màu vàng. Đựng thuốc thử vào chai màu nâu, để nơi râm mát.
Cách tiến hành
Lấy 10mL mẫu đem lọc, sau đó hút 2 mL nước đã lọc cho vào ống nghiệm, thêm vào đó 1mL dung dịch muối xâynhet, pha loãng cho đến gần 24 mL bằng nước cất. Cho tiếp 1 mL thuốc thử nessler, lắc đều, rồi thêm nước cất cho đến vạch 25 mL, lắc đều, để yên một phút cho ổn định màu. Đem đo quang ở bước sóng 430 nm.
Cách tính: Xây dựng đường chuẩn:
Chuẩn bị một dãy bình tam giác, cho lần lượt thuốc thử theo thứ tự như trên. Tiến hành xác định NH4+ của dung dịch chuẩn. Đem đo mật độ quang để xây dựng đường chuẩn.
Bảng 2. 1. Sự phụ thuộc của mật độ quang A vào nồng độ NH4+ (mg/L)
Nồng độ (mg/L) 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 5,0 7,5 10,0 Mật độ quang 0,06 0,105 0,144 0,187 0,225 0,439 0,618 0,841
Từ những giá trị đã xác định, xây dựng đồ thị và phương trình biểu diễn sự phụ thuộc giữa nồng độ NH4+ và mật độ quang.
Hình 2. 5. Đồ thị đường chuẩn NH4+
Từ kết quả đo được, dựa vào đồ thị đường chuẩn ta tính được hàm lượng NH4+ có trong mẫu nước thải.
2.2.3. Phương pháp xác định Nito tổng theo SMEWW 4500 - N.C (2012)
Nguyên lý
Vô cơ hóa mẫu bằng H2SO4 đậm đặc và chất xúc tác, sau đó dùng kiềm mạnh (NaOH hay KOH) để đẩy NH3 từ muối (NH4)2SO4 hình thành ra thể tự
2.2.4. Phương pháp xác định COD theo TCVN 6491:1999 (ISO 6060:1989) về chất lượng nước
Nguyên tắc:
Phần lớn các chất hữu cơ đều bị oxy hóa bởi K2Cr2O7 trong môi trường acid, ở nhiệt độ 160oC. Phản ứng diễn ra theo phương trình sau:
CnHaOb + c Cr2O7 + 8c H+ n CO2 + (a/2 +4c) H2O +2c Cr3+ Với c =2
3 6 3
a b n
Dựa vào hàm lượng chất hữu cơ trong mẫu, chọn hàm lượng chất oxy hóa đặc hay loãng (0,1 N hay 0,025 N) cho thích hợp. Sau khi phản ứng oxy hóa xảy ra hoàn toàn, ta định phân lượng dicromat dư bằng Fe(NH4)2SO4 theo phương trình:
6Fe2+ + Cr2O72- + 14H+ 6Fe3+ + Cr3+ + 7H2O
Trị số COD chính là lượng oxy tính từ hàm lượng K2Cr2O7 tham gia phản ứng oxy hóa.
Hóa chất
Dung dịch chuẩn K2CrO7 0,1 N: Hòa tan 4,913 g K2CrO7 (sấy ở 1050C trong 2 giờ) trong 500 mL nước cất, thêm 167 mL H2SO4 đậm đặc và 33,3 g HgSO4, khuấy tan để nguội đến nhiệt độ phòng, định mức thành 1 lít.
Dung dịch H2SO4 reagent: Cân 5,5 g Ag2SO4 trong 1 kg H2SO4 đậm đặc (lít = 1,84 kg), để 1 – 2 ngày cho hòa tan hoàn toàn.
Cách tiến hành:
Tùy thuộc vào thể tích ống nghiệm mà cho mẫu nước và hóa chất tương ứng như bảng sau: Ống nghiệm (dL) Thể tích mẫu (mL) K2Cr2O7 (mL) H2SO4 reagent (mL) Tổng thể tích (mL) 16*100 mm 2,5 1,5 3,5 7,5
20*100 mm 5,0 3,0 7,0 15,0
125*150 mm 10,0 6,0 14,0 30,0
Phương pháp đun hoàn lưu kín
Rửa ống COD loại 16*100 mm và nút bằng dung dịch H2SO4 20% trước khi sử dụng.
Cho vào ống COD 2,5 mL mẫu thêm 1,5 mL dung dịch K2Cr2O7 0,1 N thêm 3,5 mL dung dịch H2SO4 reagent. Lưu ý phản ứng xảy ra mạnh nên cần cho acid cẩn thận, chảy dọc theo thành ống nghiệm. Sau đó, lắc mẫu thật đều.
Cho ống COD vào máy phá mẫu nung ở nhiệt độ 160oC trong vòng 2 giờ.
Để nguội đến nhiệt độ phòng, sau đó đem đo dung dịch bằng phương pháp so màu ở bước sóng 605 nm. Chú ý khi đo cần tránh để dung dịch đục hoặc có bọt khí vì những yếu tố này có thể làm sai kết quả phân tích.
Cách tính: Xây dựng đường chuẩn:
Chuẩn bị một dãy dung dịch chuẩn có nồng độ 50 – 1000 mgO2/L. Tiến hành xác định COD của dung dịch chuẩn cũng tương tự như trên. Đem đo mật độ quang để xây dựng đường chuẩn.
Bảng 2. 2. Kết quả xây dựng đường chuẩn COD (mg/L) Nồng độ O2 (mg/L) Mật độ quang Nồng độ O2 (mg/L) Mật độ quang 50 0,023 600 0,249 100 0,042 700 0,283 200 0,089 800 0,327 300 0,114 900 0,365 400 0,162 1000 0,401 500 0,204
Từ những giá trị đã xác định, xây dựng đồ thị và phương trình biểu diễn sự phụ thuộc giữa nồng độ COD và mật độ quang.
Vi sinh hiếu khí
Hình 2. 6. Đồ thị đường chuẩn COD
Trong khoảng nồng độ COD từ 50 đến 1000 mg/L phép đo mật độ quang tuân theo định luật Lambe-Beer.
Vì vậy trong các mẫu đo thực tế sau này ta phải điều chỉnh về giá trị COD nằm trong khoảng nồng độ trên.
2.2.5. Phương pháp xác định BOD5 theo TCVN 6001:1995 (ISO 5815: 1989) về chất lượng nước
Nguyên tắc
Trung hòa mẫu nước thải cần phân tích và pha loãng bằng những lượng khác nhau của một loại nước pha loãng giàu oxi hòa tan và chứa các vi sinh vật hiếu khí, có hoặc không chứa các chất gây ức chế sự nitrat hóa.
Ủ ở nhiệt độ xác định thường là 20oC trong một thời gian xác định (5 ngày) trong bình kín, tối màu.
Phương trình phản ứng tổng quát có thể biểu diễn như sau:
Chất hữu cơ + O2 CO2 + H2O + năng lượng
Vận tốc phản ứng phân hủy chất hữu cơ trong thí nghiệm BOD phụ thuộc vào nhiệt độ và nồng độ chất hữu cơ có trong mẫu phân tích. Để loại trừ ảnh
hưởng của nhiệt độ, thí nghiệm được tiến hành ở 20oC. Theo lý thuyết, phản ứng có thể xem là hoàn toàn trong 20 ngày, đây là khoảng thời gian khá dài. Kinh nghiệm cho thấy, tỷ lệ BOD5/BOD tổng cộng tương đối cao nên thời gian ủ 5 ngày là hợp lý. Tỷ lệ này cao hay thấp tùy thuộc vào đặc tính và bản chất