7. Bốc ục luận văn
1.2. NƯỚC VÀ CÁC CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG NƯỚC
1.2.1. Tính chất chung của nước
Nước là một chất lỏng trong suốt, không màu, không mùi, không vị. Phân tử nước có góc liên kết HOH bằng 105o và độ dài liên kết O - H bằng 0,99 Ǻ.
Là phân tử phân cực, nước có khả năng hòa tan rất nhiều chất điện ly cũng như chất không điện ly. Nhiều phản ứng hóa học xảy ra trong môi trường nước. Nước là hợp chất có khả năng tham gia nhiều phản ứng. Nó kết hợp với nhiều oxit của các nguyên tố, với các muối và tương tác với nhiều nguyên tố. Quá trình hòa tan các chất như đã biết là quá trình hidrat hóa với các chất đó. Đối với những hợp chất điện ly, quá trình hidrat hóa xảy ra nhờ sự tương tác tĩnh điện giữa ion với phân tử nước có cặp electron tự do ở nguyên tử oxi. Đối với những chất không điện ly mà phân tử có nhóm -OH như các axit yếu, các hợp chất hữu cơ như rượu, đường,… quá trình hidrat xảy ra được là nhờ liên kết hidro giữa các nhóm -OH với phân tử nước.
Nước là dung môi tốt, có khả năng hoạt động hóa học mạnh nên hòa tan nhiều chất có khả năng gây ô nhiễm nước.
1.2.2. Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng nước
a. Các chỉ tiêu vật lí
- Độđục
Nước nguyên chất là một môi trường trong suốt và có khả năng truyền ánh sáng tốt, nhưng khi trong nước có các tạp chất huyền phù, cặn rắn lơ lửng, các vi sinh vật và các hóa chất hòa tan thì khả năng truyền ánh sáng của nước giảm đi. Dựa trên điều đó mà người ta xác định độ đục của nước [2], [11].
+ Có nhiều đơn vịđo độđục, thường dùng: mg SiO2/l, NTU, FTU. + Nước cấp cho ăn uống độ đục không vượt quá 5 NTU. Nước mặt thường có độđục 20 - 100 NTU, mùa lũ có khi cao đến 500 - 600 NTU.
Theo tiêu chuẩn Việt Nam, độ đục được xác định bằng chiều sâu lớp nước thấy được gọi là độ trong, ở độ sâu đó người ta có thể đọc được hàng chữ tiêu chuẩn.
Nước thiên nhiên sạch thường không màu, màu của nước mặt chủ yếu do chất mùn, các chất hòa tan, keo hoặc do thực vật thối rửa. Sự có mặt của một số ion kim loại (Fe, Mn), tảo, than bùn và các chất thải công nghiệp cũng làm cho nước có màu.
Độ màu của nước được xác định theo thang màu tiêu chuẩn tính bằng đơn vị Pt-Co. Trong thực tế, độ màu có thể phân thành hai loại: độ màu thực và độ màu biểu kiến.
Độ màu biểu kiến bao gồm cả các chất hòa tan và các chất huyền phù tạo nên, vì thế màu biểu kiến được xác định ngay trên mẫu nguyên thủy mà không cần loại bỏ chất lơ lửng.
Độ màu thực được xác định trên mẫu đã ly tâm và không nên lọc qua giấy lọc vì một phần cấu tử màu dễ bị hấp thụ trên giấy lọc.
· Ý nghĩa môi trường
Đối với nước cấp, độ màu biểu thị giá trị cảm quan, độ sạch của nước. Riêng với nước thải, độ màu đánh giá phần nào mức độ ô nhiễm nguồn nước.
· Phương pháp xác định
Nguyên tắc xác định độ màu dựa vào sự hấp thu ánh sáng của hợp chất màu có trong dung dịch , phương pháp xác định là phương pháp so màu.
· Các yếu tốảnh hưởng
Độđục ảnh hưởng đến việc xác định độ màu thật của mẫu
Khi xác định độ màu thực, không nên sử dụng giấy lọc vì một phần màu thực có thể bị hấp thụ trên giấy
Độ màu phụ thuộc vào pH của nước, do đó trong bảng kết quả cần ghi rõ pH lúc xác định độ màu.
b. Chỉ tiêu hóa học
pH là chỉ số đặc trưng cho nồng độ ion H+ có trong dung dịch, thường được dùng để biểu thị tính axit và kiềm của nước.
Giá trị pH của nước có liên quan dạng tồn tại của kim loại và khí hòa tan trong nước. pH có ảnh hưởng đến hiệu quả tất cả quá trình xử lí nước. Độ pH có ảnh hưởng đến các quá trình trao đổi chất diễn ra bên trong cơ thể sinh vật nước. Do đo rất có ý nghĩa về khía cạnh sinh thái môi trường.
1.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC 1.3.1. Phương pháp cơ học 1.3.1. Phương pháp cơ học
Ứng dụng các thiết bị thích hợp để loại bỏ các tạp chất trong nước bằng trọng lực: lắng, lọc, … sử dụng quá trình làm thoáng tự nhiên hoặc cưỡng bức để khử sắt trong nước ngầm.
1.3.2. Phương pháp hóa học và hóa lý
Sử dụng phèn để làm trong và khử màu (quá trình keo tụ) các nguồn nước đục và độ màu cao, sử dụng tác nhân oxy hóa như clo để khử trùng nước. Một phương pháp hóa lý phổ biến hiện nay để xử lý nước là sử dụng nhựa trao đổi ion để làm mềm nước và khử các chất khoáng trong nước.
1.3.3. Phương pháp vật lý
Điện phân NaCl để khử muối, dùng các tia tử ngoại để khử trùng, sử dụng các màng lọc để loại bỏ các ion trong nước.
1.3.4. Quá trình keo
Trong nước suối, sông, hồ, ao… thường chứa các hạt cặn có nguồn gốc thành phần và kích thước rất khác nhau. Đối với các loại cặn này dùng các biện pháp xử lý cơ học trong công nghệ xử lý nước có thể loại bỏđược cặn có kích thước 10-4 mm. Còn các loại cặn có kích thước nhỏ hơn 10-4 mm không thể tự lắng được mà luôn tồn tại ở trạng thái lơ lửng. Muốn loại bỏ phải dùng các biện pháp cơ học kết hợp với các biện pháp hóa học, tức là cho vào nước cần xử lý các chất phản ứng để tạo ra các hạt keo có khả năng kết lại với nhau
và dính kết các hạt lơ lửng có trong nước, tạo thành các bông cặn lớn hơn có trọng lượng đáng kể.
Để thực hiện quá trình keo tụ, người ta cho vào nước các chất phản ứng thích hợp như: phèn nhôm Al2(SO4)3, phèn sắt FeSO4,…Các phèn này được đưa vào trong nước dưới dạng dung dịch hòa tan.
Trường hợp độ kiềm tự nhiên của nước thấp, không đủ để trung hòa ion H+ thì cần phải kiềm hóa nước. Thông thường phèn nhôm đạt được hiệu quả keo tụ cao nhất khi nước có pH = 5,5 - 7,5 (Hiệu suất lọc nước đạt giá trị cao nhất) [18], [20].
Hình 1.7. Quá trình keo tụ bằng hóa chất
Ngoài việc sử dụng hóa chất để đẩy nhanh quá trình lắng nước có thể dùng thực vật tự nhiên như hạt chùm ngây hay một số loại khác thường gặp như: hạt đậu phộng,…
1.3.5. Quá trình lọc nước
Quá trình lọc nước là cho nước đi qua lớp vật liệu lọc với một chiều dày nhất định đủ để giữ lại trên bề mặt hoặc giữa các khe hở của lớp vật liệu lọc các hạt cặn và vi trùng có trong nước. Sau một thời gian làm việc, lớp vật liệu lọc bị bịt lại làm giảm tốc độ lọc. Để khôi phục khả năng làm việc của bể
lọc phải thổi rửa bề mặt lọc bằng nước hoặc gió kết hợp để loại bỏ cặn bẩn ra khỏi lớp vật liệu lọc.
Trong dây chuyền xử lý nước uống và sinh hoạt lọc là giai đoạn cuối cùng để làm cho nước sạch triệt để. Hàm lượng cặn trong nước sau khi lọc phải đạt tiêu chuẩn cho phép.
Vật liệu lọc là bộ phận cơ bản của bể lọc, nó mang lại hiệu quả làm việc và tính kinh tế của quá trình lọc. Vật liệu lọc hiện nay phổ biến nhất là cát thạch anh tự nhiên. Ngoài ra còn có thể sử dụng một số vật liệu khác như cát thạch anh nghiền, đá anh nghiền, than antraxit, polymer,… các vật liệu lọc nước cần phải thỏa mãn các yêu cầu sau: có thành phần cấp phối thích hợp, đảm bảo đồng nhất, có độ bền cơ học cao, ổn định về hóa học.
Trong quá trình lọc, người ta có thể dùng thêm than hoạt tính như là một vật liệu lọc để hấp thu mùi và màu của nước. Các bột than hoạt tính có bề mặt hoạt tính rất lớn chúng có khả năng hấp thụ các chất ở dạng lỏng hòa tan trong nước.
Bên cạnh đó, lọc qua vải cũng là một cách lọc nước: điển hình là ở khu vực Nam Á, người ta dùng một miếng vải sari gập làm 7 hay 8 lần dùng làm tấm lọc. Tấm lọc vải sari có thể làm giảm nguy cơ bị tả nhờ loại bỏ được cặn rắn và phiêu sinh vật chứa vi khuẩn tả.
1.4. Ô NHIỄM NƯỚC VÀ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC BẰNG HẠT CHÙM NGÂY CHÙM NGÂY
1.4.1. Nguyên nhân gây ô nhiễm nước
Nước tự nhiên là nước được hình thành cả về số lượng và chất lượng dưới ảnh hưởng của các quá trình tự nhiên, không có tác động nhân sinh. Nước tự nhiên bị nhiễm bẩn bởi các chất khác nhau làm ảnh hưởng đến chất lượng của nó. Nghiên cứu thành phần và chất lượng nước bề mặt, tổ chức y tế thế giới WHO đưa ra một số nguyên nhân gây ô nhiễm nguồn nước như sau:
(1) Nước nhiễm bẩn do các chất hữu cơ phân hủy từ động vật và các chất thải công nghiệp.
(2) Nguồn nhiễm bẩn do vi trùng, vi rút và các chất hữu cơ gây bệnh. (3) Nguồn nhiễm bẩn do các chất thải công nghiệp, chất thải rắn có chứa các chất độc hại của các cơ sở công nghiệp như phenol, xianua, crom…
(4) Nguồn ô nhiễm dầu mỏ và các sản phẩm của dầu mỏ trong quá trình khai thác, sản xuất, chế biến và vận chuyển.
(5) Nguồn ô nhiễm do các chất tẩy rửa tổng hợp trong sinh hoạt và trong công nghiệp.
(6) Các chất phóng xạ từ các cơ sở nghiên cứu và sử dụng phóng xạ. (7) Các hóa chất bảo vệ thực vật khi không sử dụng đúng mức. (8) Các hóa chất hữu cơ tổng hợp sử dụng trong công nghiệp. (9) Các hóa chất vô cơ dùng làm phân bón cho nông nghiệp. (10) Một số nguồn nước thải đáng kể từ các nhà máy nhiệt điện. Từđó, cần có các phương pháp xử lý nước phù hợp.[15]
1.4.2. Xử lý nước bằng hạt chùm ngây
Thông thường, những chất keo tụ tự nhiên có nguồn gốc từ thực vật đã từng được sử dụng ở các hộ gia đình. Điển hình như phụ nữ ở các vùng nông thôn ở Sudan, Tanzania hay Ấn Độ đã biết xử lý nước bằng bột hạt chùm ngây trước khi dùng để uống.
1.4.3. Protein keo tụ từ chùm ngây
Cây chùm ngây là một loài cây nhiệt đới, 14 loài đã được xác định cho đến nay và tất cả đều có tính chất làm keo tụ. Các nghiên cứu gần đây đều tập trung nghiên cứu quá trình xử lý nước từ protein chiết xuất từ hạt của cây chùm ngây. Các bộ phận khác nhau như lá, rễ, hạt, vỏ cây và trái cây, có nhiều lợi phẩm chất như tính chống ung thư, chống viêm, kháng khuẩn và
kháng nấm hoạt động, và đang được sử dụng để điều trị các bệnh khác nhau trong hệ thống y học ở bản địa, đặc biệt là ở Nam Á.
- Quá trình chuẩn bị chiết tách protein từ hạt chùm ngây
Chiết tách chất keo tụ từ hạt chùm ngây được chuẩn bị với dung dịch NaCl thì sẽ có hiệu quả tốt hơn so với chiết tách với nước cất. Điều này có thể được giải thích là do khi chiết tách protein thì các điều kiện môi trường thay đổi dẫn đến protein bị kết tủa. Độ hòa tan của protein phụ thuộc vào vào sự tương tác có cực của protein với dung môi, sự tương tác ion của phân tử protein với các phân tử muối hiện diện trong dung dịch và sự tương tác tĩnh điện giữa phân tử mang điện tích hay những nhóm phân tử mang điện tích của protein kết dính lại với nhau. Quá trình kết tủa protein bằng dung dịch muối có nồng độ cao phụ thuộc rất lớn vào tính kỵ nước của phân tử protein. Trong dung dịch, các gốc kỵ nước của phân tử protein tập trung trên bề mặt, tiếp xúc trực tiếp với các phân tử nước. Các phân tử nước này ngăn cản quá trình hình thành liên kết để tạo kết tủa giữa các protein như nhau. Khi nồng độ muối tăng, các phân tử muối bị solvat hóa làm giảm số phân tử nước xung quanh bề mặt các phân tử protein tạo điều kiện cho các bề mặt kỵ nước tiến đến gần nhau và kết tủa xuống. Mặc dù quá trình kết tủa bằng dung dịch muối có nồng độ cao phụ thuộc nhiều vào các phân tử kỵ nước của protein nhưng các yếu tố khác như pH, nhiệt độ cũng gây ảnh hưởng đến quá trình này. Ở pH gần điểm đẳng điện pI thì quá trình kết tủa xảy ra dễ dàng hơn và khi tăng nhiệt độ ở nồng độ muối cao thì độ hòa tan protein cũng giảm.
- Cơ chế hoạt động
Cơ chế keo tụ nước đục từ protein của hạt chùm ngây được xác định là do protein tích điện dương liên kết với phần của bề mặt các hạt tích điện âm thông qua sự tương tác tĩnh điện. Điều này dẫn đến sự hình thành của một vùng của các hạt tích điện âm và tích điện dương. Khi đó các hạt va chạm và
trung hòa điện tích, hình thành cấu trúc lưới liên kết như mô tả ở hình dưới. Và hiệu suất làm trong nước đục có thể được giải thích là do tỷ lệ thấp của sự tương tác của các hạt trong nước như vậy.
Hình 1.8. Cơ chế keo tụ của protein từ hạt chùm ngây.
1.5. KHÁI QUÁT CHUNG VỀ PROTEIN
1.5.1. Những đặc trưng chung của nhóm chất protein
Protein được phát hiện lần đầu tiên ở thế kỷ XVIII. Mới đầu được gọi la albumin (lòng trắng trứng). Mãi đến năm 1838 , Mulder lần đầu tiên đưa ra thuật ngữ protein (xuất phát từ chữ Hy lạp proteos nghĩa là “đầu tiên”, “quan trọng nhất”). Biết được tầm quan trọng và nhu cầu xã hội về protein, đến nay nhiều công trình nghiên cứu và sản xuất hợp chất này đã được công bố, đã đem lại nhiều ý nghĩa hết sức to lớn phục vụ cho nhân loại. Vì vậy, nhiều nhà khoa học trên thế giới đã vinh dự nhận được giải thưởng Nobel về các lĩnh vực nghiên cứu liên quan đến protein.[14]
Như đã biết protein là hợp chất hữu cơ có ý nghĩa quan trọng bậc nhất trong cơ thể sống. Về mặt số lượng, nó chiếm không dưới 50% trọng lượng khô của tế bào. Về thành phần cấu trúc, protein được tạo thành chủ yếu từ các amino acid qua liên kết peptide. Cho đến nay người ta đã thu được nhiều loại protein ở dạng sạch cao có thể kết tinh được và đã xác định được thành phần
các nguyên tố hoá học, thông thường trong cấu trúc của chúng gồm bốn nguyên tố chính là C H O N với tỷ lệ C ≈ 50%, H ≈ 7%, O ≈ 23% và N ≈ 16%. Đặc biệt tỷ lệ N trong protein khá ổn định. Nhờ tính chất này để định lượng protein theo phương pháp Kjeldahl, người ta tính lượng N rồi nhân với hệ số 6,25. Ngoài ra trong protein còn gặp một số nguyên tố khác như S ≈ 0- 3% và P, Fe, Zn, Cu...
Khối lượng phân tử, ký hiệu là Mr (được tính bằng Dalton) của các loại protein thay đổi trong những giới hạn rất rộng, thông thường từ hàng trăm cho đến hàng triệu. Ví dụ: insulin có khối lượng phân tử bằng 5.733, glutamat-dehydrogengenase trong gan bò có khối lượng phân tử bằng 1.000.000.
1.5.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của nhóm chất protein
Từ lâu, đã biết rằng protein tham gia mọi hoạt động sống trong cơ thể sinh vật, từ việc tham gia xây dưng tế bào, mô, đến tham gia hoạt động xúc tác và nhiều chức năng khác v.v... Ngày nay, khi hiểu rõ vai trò to lớn của protein đối với cơ thể sống, người ta càng thấy rõ tính chất duy vật và ý nghĩa của định nghĩa thiên tài của Anghen F. : “sống là phương thức tồn tại của những thể protein”. Với sự phát triển của khoa học, vai trò và ý nghĩa của protein đối với sự sống càng được khẳng định. Cùng với acid nucleic, protein là cơ sở vật chất của sự sống.
1.5.3. Phân loại protein