4. Bố cục luận văn
2.4. Phương pháp nghiên cứu
2.4.1. Bố trí thí nghiệm
- Thí nghiệm được bố trí bằng nước thải nhuộm chiếu được lấy từ làng nghề
+ Thí nghiệm 1: Khảo sát ảnh hưởng của pH ban đầu
Mục đích: Đánh giá ảnh hưởng của pH đến khả năng xử lý Cr của C. vulgaris.
Cách tiến hành: Thí nghiệm được tiến hành ở nồng độ Cr ban đầu là 70 mg/l
và mật độ ban đầu là 15 x 106 tế bào/ml với giá trị pH ban đầu là 5.0, 6.0 và 7.0.
Bố trí 3 nghiệm thức như sau: pH
Yếu tố khác 5 6 7
Nồng độ kim loại ban đầu 70 mg/l Mật độ tảo: 15 x 106 tế bào/ml 3 nghiệm thức 3 nghiệm thức 3 nghiệm thức
Thông số theo dõi: Sự thay đổi hàm lượng kim loại Cr trong 3 thí nghiệm được
tiến hành khi thay đổi với giá trị pH = 5; pH = 6; pH = 7 ở nồng độ Cr ban đầu là 70 mg/l và mật độ tảo ban đầu là 15 x 106 tế bào/ml theo thời gian.
Tần suất theo dõi: Các thông số được theo dõi sau mỗi 24, 48, 72, 96, 120 giờ
thí nghiệm.
+ Thí nghiệm 2: Khảo sát ảnh hưởng của mật độ tảo ban đầu
Mục đích: Ảnh hưởng của mật độ tế bào vi tảo C. vulgaris đến khả năng xử lý Cr.
Cách tiến hành: Thí nghiệm được tiến hành ở nồng độ ban đầu là 70 mg/l với
pH được lấy từ thí nghiệm trước là 6.0. Mật độ ban đầu thay đổi là 5x106 tb/ml, 10x106 tb/ml, 15 x106 tế bào/ml.
Bố trí 3 nghiệm thức như sau: Mật độ
Yếu tố khác 5x10
6 tb/ml 10x106 tb/ml 15 x106 tb/ml
pH tối ưu từ thí nghiệm 1 Nồng độ kim loại ban đầu 70 mg/l
3 nghiệm thức 3 nghiệm thức 3 nghiệm thức
Thông số theo dõi: Sự thay đổi hàm lượng kim loại Cr trong 3 thí nghiệm được
tiến hành khi thay đổi mật độ tảo ban đầu là 5 x106 tb/ml, 10x106 tb/ml, 15x106 tế bào/ml, với nồng độ Cr là 70 mg/l và pH được lấy từ thí nghiệm trước là 6.0 theo thời gian.
Tần suất theo dõi: Các thông số được theo dõi sau mỗi 24, 48, 72, 96, 120 giờ
thí nghiệm.
+ Thí nghiệm 3: Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ kim loại nặng ban đầu
Mục đích: Ảnh hưởng của nồng độ Cr ban đầu đến khả năng xử lý của vi tảo
C. vulgaris.
Cách tiến hành: Để đánh giá ảnh hưởng của nồng độ Cr đến khả năng xử lý của vi tảo C. vulgaris, thí nghiệm được tiến hành ở pH 6.0, mật độ tế bào ban đầu là 15x106 tế bào/ml. Nồng độ kim loại được sử dụng 03 mức là 50 mg/l, 60mg/l và 70 mg/l.
Bố trí 3 nghiệm thức như sau: Nồng độ
Yếu tố khác 50 mg/l 60 mg/l 70 mg/l
pH tối ưu từ thí nghiệm 1 Mật độ tối ưu từ thí nghiệm 2
3 nghiệm thức 3 nghiệm thức 3 nghiệm thức
Thông số theo dõi: Sự thay đổi hàm lượng kim loại Cr trong 3 thí nghiệm được
tiến hành ở nồng độ kim loại được sử dụng 03 mức là 50 mg/l, 60mg/l và 70 mg/l, mật độ tảo ban đầu là 15 x106 tế bào/ml với pH được lấy từ thí nghiệm trước là 6.0.
Tần suất theo dõi: Các thông số được theo dõi sau mỗi 24, 48, 72, 96, 120 giờ
thí nghiệm.
Thí nghiệm 4: Khảo sát đẳng nhiệt hấp phụ trên sinh khối khô của vi tảo C.vulgaris
Mô hình đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich được sử dụng để mô tả quá trình hấp phụ Cr6+ trên sinh khối khô của vi tảo C. vulgaris. Khảo sát được tiến hành ở dải nồng độ ion kim loại trong dung dịch như sau: 30,50,70,90 mg/l ở pH 6 trong thời gian 72 giờ và mật độ sinh khối tảo đạt 5 triệu tế bào/ml.
Nồng độ kim loại Yếu tố khác
30 mg/l 50 mg/l 70 mg/l 90mg/l
- Mật độ sinh khối tảo: 5 triệu tế bào/ml
- pH: 6
- Thời gian 72 giờ
3 nghiệm thức 3 nghiệm thức 3 nghiệm thức 3 nghiệm thức
2.4.2. Phương pháp xác định mật độ tế bào vi tảo bằng buồng đếm Neubauer
- Pha loãng mẫu đảm bảo trong mỗi ô vuông không lớn hơn 10 tế bào và không nhỏ hơn 2 tế bào.
- Lắc đều ống nghiệm pha loãng mẫu.
- Nhỏ 1 giọt dung dịch mẫu vào giữa phòng đếm và đậy lại bằng lá kính, chú ý không để tạo bọt khí.
- Đặt buồng đếm lên bàn kính hiển vi, để yên 3 – 5 phút, sau đó tiến hành đếm số lượng tế bào trong 5 ô lớn chéo nhau (chọn 4 ô ở 4 góc và một ô ở chính giữa). Cách đếm số tế bào trong mỗi ô lớn như sau: mỗi ô nhỏ có 4 cạnh giới hạn, đếm số lượng tế bào nằm trọn trong ô và những tế bào nằm trên 2 cạnh liên tiếp cùng chiều, ví dụ: đếm cạnh bên dưới và cạnh bên phải. Đếm các ô từ trái sang phải, từ hàng trên xuống hàng dưới rồi đổi chiều. Đếm như vậy cho đến ô cuối cùng của 16 ô con [68].
Mật độ (tế bào/ml) = 𝑋 1000
𝑌 × 𝑊2 ×𝑑
Trong đó:
X: số lượng tế bào được đếm
Y: số lượng ô vuông nhỏ nhất được đếm d: độ dày của lớp nước trong buồng đếm W: cạnh của một ô vuông
2.4.3. Phương pháp thu sinh khối khô tảo C. vulgaris
Trong giai đoạn tăng trưởng ổn định, các tế bào C. vulgaris được ly tâm ở 5000 vòng/phút trong 5 phút, rửa hai lần bằng nước cất và sau đó sấy khô ở 60°C trong 24 giờ và nghiền thành bột mịn, được sàng qua lưới 120 (0,125 mm). Phần dưới quá nhỏ từ 2 – 10 µm (các tế bào tảo) sau đó được sử dụng cho các thử nghiệm hấp phụ [13].
2.4.4. Phương pháp xác định hiệu suất xử lý KLN theo mô hình đáp ứng bề mặt
Sau từng khoảng thời gian: 24h, 48h, 72h, 96h, 120h các nghiệm thức được rút ra 2ml ly tâm 10000 vòng/ phút trong 10 phút để thu phần dung dịch, sau đó đem dung dịch đi xác định hàm lượng kim loại nặng còn lại để xác định hiệu suất. Hiệu suất xử lý được xác định theo công thức [45].
R(%) = 𝐶𝑜−𝐶𝑡
𝐶𝑜 x 100 Trong đó:
R: là hiệu suất xử lý kim loại nặng (%) Co: Nồng độ kim loại nặng ban đầu (mg/l) Ct: Nồng độ kim loại nặng theo thời gian (mg/l)
2.4.5. Phương pháp xác định hiệu quả xử lý KLN theo diện tích bề mặt tảo bằng mô hình đáp ứng bề mặt
k = (𝐶0−𝐶𝑡).𝑉 𝑠2 Trong đó:
k : Khối lượng KLN được hấp phụ (mg/dm2) C0 : nồng độ dung dịch ban đầu (mg/l)
Ct : nồng độ dung dịch tại các thời điểm nhất định (mg/l) v : là thể tích dung dịch chất bị hấp phụ (l)
s : Diện tích bề mặt (𝑠 = 4𝜋𝑟2)
2.4.6. Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử Atomic Absorbtion Spectrometric (AAS)
Hàm lượng KLN được xác định bằng phương pháp hóa hơi nguyên tử ngọn lửa (flame) trên hệ thống hấp thụ nguyên tử Analytik Jena 700P để đo nồng độ kim loại nặng có trong mẫu nước.
2.4.7. Phương pháp xác định dung lượng hấp phụ
Dung lượng hấp phụ được tính theo công thức [71]: 𝑞 = (𝐶0− 𝐶𝑡). 𝑉
Trong đó:
q: dung lượng hấp phụ cân bằng (mg/g). C0: nồng độ dung dịch đầu (mg/l).
Ct: nồng độ dung dịch khi đạt cân bằng hấp phụ (mg/l). V: là thể tích dung dịch chất bị hấp phụ (l).
m: Khối lượng chất hấp phụ (g).
2.4.8. Phương pháp hấp phụ đẳng nhiệt
• Mô hình đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir
Phương trình Langmuir và dạng tuyến tính của nó được thể hiện qua công thức [52], [76]. 𝑞 = 𝑞𝑚𝑎𝑥 𝐾𝐿. 𝐶𝑡 1 + 𝐾𝐿. 𝐶𝑡 𝑪𝒕 𝒒 = 𝟏 𝒒𝒎𝒂𝒙. 𝑪𝒕+ 𝟏 𝒒𝒎𝒂𝒙. 𝑲𝑳 Trong đó:
qmax: dung lượng hấp phụ cực đại của vật liệu.
KL: hằng số Langmuir, đặc trưng cho ái lực của tâm hấp phụ (l/g). Tham số cân bằng RL được xác định bởi công thức:
𝑅𝐿 = 1 1 + 𝐾𝐿. 𝐶0
Mức độ phù hợp của mô hình Langmuir được đánh giá dựa vào tham số RL [31].
Bảng 2.1. Mức độ phù hợp của mô hình Langmuir dựa trên giá trị tham số RL
Giá trị RL Mức độ phù hợp RL > 1 Không phù hợp RL = 1 Tuyến tính 0< RL <1 Phù hợp
RL = 0 Không thuận nghịch • Mô hình đường hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich.
Phương trình Freundlich và dạng tuyến tính của nó thể hiện qua công thức [52]: 𝑞 = 𝐾𝐹. 𝐶𝑛1 𝐥𝐠 𝒒 = 𝐥𝐨𝐠 𝑲𝑭+ 𝟏 𝒏𝐥𝐠 𝑪𝒕 Trong đó: KF: hằng số Freundich (l/g). n: hằng số.
Giá trị n đo mức độ tương tác trên chất hấp phụ khi có sự thay đổi nồng độ dung dịch từ sự đồng nhất, chỉ ra mức độ tuyến tính [31] như bảng :
Bảng 2.2. Mức độ phù hợp của mô hình Freundlich dựa trên giá trị tham số n
Giá trị n Mức độ tuyến tính n = 1 Tuyến tính n < 1 Hấp phụ hóa học n > 1 Hấp phụ vật lý
2.4.9. Phương pháp xử lý số liệu
Dữ liệu được thống kê mô tả, phân tích phương sai Anova với mức ý nghĩa (α = 0.01) và vẽ biểu đồ bằng phần mềm Excel 2010 và phần mền R.
CHƯƠNG 3
KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN
3.1. Ảnh hưởng của pH đến khả năng xử lý Cr của vi tảo C.vulgaris
Qua kết quả thí nghiệm đánh giá sự ảnh hưởng của pH đến khả năng xử lý Cr của vi tảo C.vulgaris thông qua hiệu suất xử lý (bảng 3.1) cho thấy rằng có sự khác biệt có ý nghĩa về mặt thống kê ở các mức pH khác nhau trong việc xử lý kim loại Cr của vi tảo C.vulgaris với p-value= 0,000060 < 0,01. Hơn nữa, đánh giá thông qua phân tích ANOVA 2 yếu tố (bảng 3.2) với α=0,01 cũng cho thấy cả 2 yếu tố là thời gian và pH đều có sự ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý kim loại nặng Cr trong vi tảo C.vulgaris.
Bảng 3.1. Hiệu suất xử lý Cr ở các mức pH khác nhau
Thời gian (h) Hiệu suất xử lý Cr (%) pH= 5 pH= 6 pH= 7 p-value 24 34,13 ± 1,48 47,77 ± 1,67 8,12 ± 5,61 0,000079< 0,01 48 43,40 ± 1,53 59,63 ± 1,33 25,03 ± 3,10 0,000011< 0,01 72 49,24 ± 2,50 72,98 ± 2,69 43,30 ± 2,58 0,000060< 0,01 96 9,29 ± 2,73 40,81 ± 4,60 36,31 ± 5,03 0,000613< 0,01 120 3,24 ± 2,25 29,81 ± 2,13 17,94 ± 4,43 0,000442< 0,01
Bảng 3.2. Kết quả phân tích ANOVA hai yếu tố (pH, thời gian) đối với hiệu suất
xử lý Cr trong vi tảo Chlorella vulgaris
Source of Variation SS df MS F P-value F crit
pH 5467,277 8 683,4096 6,225583 7,37x10-05 3,126746 Time 7677,792 4 1919,448 17,48539 1,06x10-07 3,969477 Error 3512,781 32 109,7744
Total 16657,85 44
Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng yếu tố pH và thời gian đều có sự ảnh hưởng đối với hiệu suất xử lý Cr của vi tảo C. vulgaris thông qua mô hình đáp ứng bề mặt (hình 3.1), mô hình có ý nghĩa thống kê (p-value= 0,33x10-14 <0,01, R2= 0,8341)
Nhìn chung, hiệu suất xử lý của tất cả các mức pH tăng dần đến 72h xử lý và đạt cực đại tại thời điểm 72h với hiệu suất đối với pH=5, pH=6, pH=7 lần lượt là 49,24%, 72,98%, 43,30%. Sau 72h, khả năng hấp thụ đạt trạng thái bão hòa, hiệu suất hấp thụ không còn đáng kể và có xu hướng giảm xuống ở tất cả các mức pH, chỉ còn
3,24% (pH=5), 29,81% (pH=6), 17,94% (pH=7) tại mốc thời gian 120h. Qua đó cho thấy 72h là khoảng thời gian tối ưu để vi tảo C.vulgaris hấp thụ Cr kể cả trong các điều kiện pH khác nhau.
Hình 3.1. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý Cr vi tảo C.vulgaris
Tại thời điểm 72h, kết quả cho thấy pH 6 cho hiệu suất xử lý cao nhất (72,98%) so với các mức pH còn lại (43,3% - 49,24%).
Kết quả sự ảnh hưởng của pH đến khả năng xử lý Cr của vi tảo C.vulgaris
thông qua hiệu quả hấp phụ bề mặt (bảng 3.3) cho thấy có sự khác biệt có ý nghĩa thống kê đối với các mức pH tại các khoảng thời gian xử lý khác nhau với p-value 6,67x10-5<0,01.
Bảng 3.3. Khối lượng Crom được hấp phụ trên 1dm2 bề mặt tảo ở các môi trường pH khác nhau
Thời gian (h)
Khối lượng Crom được hấp phụ trên 1dm2 bề mặt tảo (mg/dm2)
pH= 5 pH= 6 pH= 7 p-value 24 7,38 ± 0,32 7,29 ± 0,25 1,18 ± 0,82 3,24x10-5 < 0,01 48 9,38 ± 0,33 9,1 ± 0,2 3,63 ± 0,45 4,53x10-6< 0,01 72 10,64 ± 0,54 11,13 ± 0,41 6,29 ± 0,38 6,67x10-5< 0,01 96 2,01 ± 0,6 6,23 ± 0,7 5,27 ± 0,49 0.00187< 0,01 120 0,7 ± 0,49 4,55 ± 0,32 2,60 ± 0,64 0,796x10-3< 0,01
Thông qua mô hình đáp ứng bề mặt được xây dựng dựa trên sự ảnh hưởng của hai yếu tố thời gian và pH đến hiệu quả hấp phụ Cr trên bề mặt tảo cho thấy pH và thời gian đều có ảnh hưởng đến hiệu quả hấp phụ Cr của vi tảo C.vulgaris. mô hình có ý nghĩa thống kê với p-value =0,18x10-11<0,01;R2= 0,836 (hình 3.2).
Hình 3.2. Ảnh hưởng của pH đến hiệu quả hấp phụ Cr trên bề mặt vi tảo
C.vulgaris
Từ kết quả nghiên cứu có thể thấy hiệu quả hấp phụ Cr trên bề mặt vi tảo
C.vulgaris có kết quả khá tương đồng với hiệu suất xử lý. Khả năng hấp thụ trên bề mặt tăng dần và đạt cao nhất ở 72h tại các mức pH 5, pH6, pH7 lần lượt là 10,64 mg/dm2; 11,13 mg/dm2; 6,29 mg/dm2. Sau 72h khối lượng Cr được hấp phụ giảm dần còn 0,7 mg/dm2 (pH 5); 4,55 mg/dm2 (pH 6); 2,6 mg/dm2 (pH 7) tại mốc thời gian 120h. Từ đó có thể thấy trong môi trường pH=6 hiệu quả hấp phụ Cr trên bề mặt vi tảo
C.vulgaris là tốt nhất và đạt hiệu quả cao nhất vào khoảng thời gian 72h xử lý.
Các đánh giá trên có thể được giải thích bởi khả năng hấp phụ Cr6+ của vi tảo
C.vulgaris phụ thuộc vào nồng độ H+ có trong môi trường. Ở pH thấp các nhóm chức liên kết với các ion H+ (vì ion H+ linh động hơn so với các cation Cr6+) do đó làm cản trở các cation Cr6+ liên kết. Mặt khác, khi pH thấp thành tế bào liên kết chặt chẽ với các ion H3O+ tạo ra lực đẩy làm hạn chế sự liên kết của các cation Cr6+. Còn khi pH tăng lên các nhóm chức như carboxyl, phosphate, imidazole, amino,… những nhóm này tích điện âm sẽ hút các cation Cr6+ thông qua quá trình hấp phụ sinh học trên bề
mặt tế bào [25], [38]. Tuy nhiên nếu pH tăng lên cao, môi trường có tính bazo nhiều hơn, các ion OH- có mặt nhiều làm cản trở quá trình khuếch tán của ion Cr6+ vào môi trường từ đó làm giảm hiệu quả hấp thụ và các ion kim loại phản ứng với ion OH- dẫn đến kết tủa làm mất đi lượng kim loại tự do khiến cho tảo không hấp thụ được[39]. Hiệu suất xử lý Cr giảm sau 72h là vì lúc này các cation Cr6+ liên kết với vi tảo trong quá trình hấp phụ sẽ gây độc làm chết các tế bào, dẫn đến giải phóng các cation Cr6+
trở lại môi trường.
So sánh với nghiên cứu của Bishnoi (2004) trên vi tảo Spirogyra ở mức pH từ 1.0 đến 10.0. Cho thấy sự gia tăng hiệu suất loại bỏ kim loại khi giá trị pH tăng từ 31% đến 86% [73]. Hơn nữa, khi pH tăng thì sẽ nâng cao khả năng liên kết của KLN (Cu, Cd, Zn) của vi tảo Chroococcus paris [37].
3.2. Ảnh hưởng của mật độ tế bào vi tảo C.vulgaris đến khả năng xử lý Cr
Đối với thí nghiệm về mật độ tế bào vi tảo C.vulgaris được tiến hành trên 03 mật độ khác nhau là 5x106 tb/ml, 10x106 tb/ml và 15x106 tb/ml. Kết quả cho thấy có sự khác biệt có ý nghĩa về mặt thống kê của vi tảo C.vulgaris ở các mật độ khác nhau trong quá trình hấp phụ Cr với p-value = 1,06x10-6< 0,05 (bảng 3.4).
Bảng 3.4. Hiệu suất xử lý Cr ở các mật độ tế bào vi tảo C.vulgaris khác nhau
Thời gian (h) Hiệu suất xử lý Cr (%) 5x106 (tb/ml) 10 x106 (tb/ml) 15 x106 (tb/ml) p-value 24 38,57 ± 0,39 34,82 ± 5,06 62,16 ± 0,51 0,000174 < 0,01 48 67,55 ± 4,99 69,20 ± 1,90 79,71 ± 4,47 0,045947 < 0,01 72 70,02 ± 1,42 76,81 ± 0,72 93,59 ± 0,70 1,06x10-06 < 0,01 96 17,00 ± 1,15 17,06 ± 3,08 37,97 ± 0,77 5,28x10-05 < 0,01 120 9,14 ± 1,23 11,08 ± 0,74 13,08 ± 1,02 0,023235 < 0,01
Cùng với đó, kết quả phân tích ANOVA đối với 2 yếu tố mật độ và thời gian với α=0,01( bảng 3.5) cũng cho thấy 2 yếu tố này đều có sự ảnh hưởng đối với hiệu xuất xử lý kim loại Cr của vi tảo C.vulgaris.