CHƢƠNG 2 : THỰC NGHIỆM
2.2. Nội dung nghiên cứu
Luận văn sẽ nghiên cứu hệ thống các vấn đề sau:
Nghiên cứu quy trình chế tạo nanosilica từ vỏ trấu. Xác định đặc tính của nanosilica bằng các phương pháp vật lý và hóa lý hiện đại bao gồm XRD, FT-IR và SEM.
Nghiên cứu quy trình phân tích kháng sinh họ β-lactam như: AMO, CEF bằng phổ UV-Vis: Khảo sát phổ hấp thụ phân tử của kháng sinh AMO, CEF. Khảo sát khoảng tuyến tính, xây dựng đường chuẩn xác định kháng sinh AMO, CEF.
Nghiên cứu so sánh hiệu quả xử lý kháng sinh AMO, CEF trên vật liệu nanosilica khơng biến tính và có biến tính polyme mang điện tích PDADMAC.
Khảo sát dung lượng hấp phụ PDADMAC của vật liệu nanosilica
Nghiên cứu các điều kiện hấp phụ và tách AMO và CEF sử dụng vật liệu naosilica biến tính bằng PDADMAC:
+ Khảo sát thời gian cân bằng hấp phụ
+ Khảo sát điều kiện pH đến khả năng hấp phụ + Khảo sát tối ưu khối lượng vật liệu hấp phụ. + Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ KCl
Nghiên cứu đặc tính đường hấp phụ đẳng nhiệt của AMO và CEF trên nanosilica biến tính bằng PDADMAC, so sánh thực nghiệm và mơ hình 2- bước hấp phụ.
Nghiên cứu cơ chế hấp phụ AMO và CEF trên nanosilica biến tính bằng PDADMAC.
Đề xuất các điều kiện tách AMO và CEF sử dụng vật liệu nanosilica biến tính với PDADMAC.
Xử lý thử mẫu nước thải bệnh viện có chứa kháng sinh họ β-lactam sử dụng vật liệu nanosilica chế tạo từ vỏ trấu và biến tính bằng polyme PDADMAC.
2.3. Phƣơng pháp nghiên cứu
2.3.1. Phƣơng pháp đánh giá vật liệu
Phương pháp xác định tổng Nitơ
Phương pháp TN (Tổng lượng nitơ) được sử dụng để xác định nồng độ polyme PDADMAC trong dung dịch từ đó có thể đánh giá được dung lượng hấp phụ và xác định được điều kiện phù hợp để biến tính bề mặt silica bằng PDADMAC.
Dung lượng hấp phụ polyme PDADMAC được tính bằng cơng thức:
(2.1)
Trong đó Ci và Cf tương ứng là nồng độ AMO ở thời điểm ban đầu và sau khi hấp phụ, V là thể tích dung dịch mẫu, m là lượng vật liệu.
Nitơ được oxi hoá bằng oxi khơng khí và được hoạt hóa bằng ozon sinh ra nitơ dioxit hoạt tính có khả năng phát quang do đó được phát hiện bằng detector huỳnh quang phân tử. Hàm lượng nitơ trong mẫu tỉ lệ thuận với hàm lượng NO2 hoạt hóa thốt ra hay nồng độ nitơ tổng trong dung dịch từ đó tính ra được nồng độ polyme và được biểu diễn bằng đơn vị mg/L.
Phương pháp phổ hồng ngoại (IR)
Phổ hồng ngoại (IR) là một trong những phương pháp thường dùng để phân tích cấu trúc vật liệu. Phổ IR đặc biệt hữu ích khi nhận biết các nhóm chức gắn trên
bề mặt vật liệu. Nghiên cứu phổ hồng ngoại phân tích cấu trúc vật liệu thường chú ý đến dao động hóa trị và dao động biến dạng.
Dựa vào tần số đặc trưng của các liên kết thu được trên phổ hồng ngoại có thể xác định được cấu trúc vật liệu. Ngoài ra, phổ hồng ngoại còn được sử dụng để nghiên cứu sự thay đổi bề mặt vật liệu khi xác định được các nhóm chức đặc trưng trên bề mặt vật liệu. Bằng việc đánh giá sự thay đổi các nhóm chức trước và sau khi biến tính, hấp phụ có thể dự đốn cơ chế hấp phụ.
Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM)
Hiển vi điện tử là phương pháp sử dụng chùm tia electron năng lượng cao để bề mặt khảo sát những vật thể rất nhỏ. Kết quả thu được qua khảo sát này phản ánh về mặt hình thái học, diện mạo học và tinh thể học của vật liệu mà chúng ta cần xác định. Phương diện hình thái học bao gồm hình dạng và kích thước của hạt cấu trúc nên vật liệu. Đặc trưng bề mặt của một vật liệu bao gồm kết cấu bề mặt hoặc độ cứng của vật liệu. Phương diện tinh thể học mô tả cách sắp xếp có trật tự trong mạng tạo nên trạng thái tinh thể hoặc sắp xếp ngẫu nhiên hình thành dạng vơ định hình. Cách sắp xếp của các ngun tử trong vật thể như thế nào. Chúng có thể sắp xếp có trật tự trong mạng tạo nên trạng thái tinh thể hoặc sắp xếp ngẫu nhiên hình thành dạng vơ định hình. Cách sắp xếp của các nguyên tử một cách có trật tự sẽ ảnh hưởng đến các tính chất như độ dẫn, tính chất điện và độ bền của vật liệu.
Phương pháp đo thế zeta
Thế zeta (ζ potential) có mối liên hệ trực tiếp với thế bề mặt được đánh giá qua phân tích điện động học. Theo lý thuyết về điện động học, thế zeta là một điện thế trong lớp kép phân giới /tiếp xúc giữa bề mặt vật liệu rắn và dung dịch điện ly. Thế zeta được xác định bằng điện thế giữa các ion khuếch tán trong dung dịch và các ion trái dấu gắn trên lớp tĩnh của các hệ phân tán. Một giá trị thường là mV (dương hoặc âm) đặc trưng cho bề mặt mang điện (dương hoặc âm). Giá trị pH mà tại đó thế ζ bằng 0 gọi là điểm đẳng điện tức là tại đó các phân tử chất có điện tích bằng 0 hoặc trung hoà điện.
Ngoài ra, thế ζ là đại lượng đặc trưng độ bền của những hệ keo phân tán. Các hệ phân tán bền khi thế ζ cao tức là lực đẩy tĩnh điện giữa các hạt keo lớn hạn chế khả năng các hạt co cụm. Nếu hiệu điện thế thấp thì lực hút lớn hơn lực đẩy và chất phân tán sẽ bị vỡ và các hạt keo co cụm vào nhau và hiện tượng keo tụ bắt đầu xảy ra.
Đối với hiện tượng hấp phụ bề mặt, thế ζ là đại lượng quan trọng giúp đánh giá dự đoán cơ chế hấp phụ trong dung dịch vì các chất hấp phụ và chất bị hấp phụ thường phân cực (mang điện). Khi hiện tượng hấp phụ xảy ra, điện tích của hấp phụ bị thay đổi do các chất bị hấp phụ lưu giữ trên bề mặt chất hấp phụ.
2.3.2. Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis.
Ở điều kiện bình thường, các phân tử, nhóm phân tử của các chất bền vững và nghèo năng lượng gọi là trạng thái cơ bản. Khi có một chùm sáng với năng lượng thích hợp chiếu vào thì các điện tử hóa trị trong các liên kết sẽ hấp thụ năng lượng chùm sáng chuyển lên trạng thái kích thích với năng lượng cao hơn. Sự hấp thụ này là nguồn gốc sinh ra phổ hấp thụ[7]
Trong nghiên cứu này, phương pháp đường chuẩn trên cơ sở phổ UV-Vis được sử dụng để định lượng nhanh nồng độ kháng sinh AMO và CEF trong các dung dịch mẫu.
Hiệu suất xử lý kháng sinh (H %) được tính theo cơng thức:
(2.2)
Trong đó Ci và Ct tương ứng là nồng độ AMO và CEF (ppm) ở thời điểm ban đầu và sau khi xử lý t phút.
2.3.2.1. Nguyên tắc của phép đo
Phổ UV-Vis là phổ hấp thụ trong vùng tử ngoại và khả kiến (190-800 nm) ở trạng thái dung dịch đồng thể của chất phân tích trong dung môi nhất định như nước, metanol, benzen, toluen, chlorofom hay một số chất mà phân tử chất trong điều kiện bình thường là ở trạng thái hơi như CH4, NH3,…[12].
Khi thực hiện phép đo phổ hấp thụ phân tử cần thực hiện một số ngun tắc sau:
Nếu chất phân tích có phổ hấp thụ UV-Vis thì phải hịa tan nó vào trong dung mơi thích hợp, tạo ra dung dịch đồng thể. Những chất khơng có khả năng hấp thụ thì phải cho chúng kết hợp với thuốc thử và điều kiện phù hợp để tạo ra một hợp chất phức bền có phổ hấp thụ phân tử.
Chiếu vào cuvet có dung dịch mẫu đồng thể chùm tia sáng có năng lượng phù hợp để cho chất phân tích hấp thụ tia bức xạ và tạo ra phổ hấp thụ.
Thu chùm sáng đi qua cuvet, phân ly phổ đó và chọn một tia sáng có bước sóng λ phù hợp và đo cường độ hấp thụ quang A. Trong một giới hạn nhất định của nồng độ C, giá trị cường độ này phụ thuộc vào nồng độ C của nguyên tố trong mẫu theo phương trình cơ sở định lượng của phép đo UV – Vis:
Abs = K.Cb (2.3) Trong đó:
Abs là độ hấp thụ quang của chất đo phổ trong cuvet
C là nồng độ của chất ở trong dung dịch mẫu trong cuvet K là hằng số thực nghiệm
b là hằng số (0 < b ≤ 1)
Khi b =1, Abs sẽ phụ thuộc tuyến tính vào nồng độ C.
2.3.2.2. Các phương pháp định lượng
a) Phương pháp đường chuẩn
Về nguyên tắc, để xây dựng một đường chuẩn phục vụ cho việc định lượng một chất cần phải thực hiện các bước sau: Chuẩn bị một dãy các dung dịch chuẩn có nồng độ chính xác của chất phân tích cũng điều kiện với mẫu phân tích.
Nghiên cứu chọn điều kiện phù hợp nhất để đo phổ UV- Vis của chất phân tích.
Đo phổ hấp thụ quang của tất cả các mẫu chuẩn và mẫu phân tích theo các điều kiện đã chọn.
chuẩn ta dựng đường chuẩn trong hệ tọa độ Abs - C. Sau đó đem các giá trị Ax1, Ax2; áp vào đường chuẩn sẽ tìm được các giá trị C tương ứng.
Phương pháp này rất tiện lợi để phân tích hàng loạt mẫu của cùng một chất trong cùng mộ loại đối tượng mẫu, nhanh chóng, hiệu quả cao.
b) Phương pháp thêm chuẩn
Phương pháp thêm chuẩn sử dụng một mẫu phân tích đại diện làm chất nền để pha chế một dãy mẫu chuẩn, bằng cách lấy một lượng nhất định mẫu phân tích và thêm vào đó những lượng nồng độ của chất phân tích ΔC chính xác theo cấp số cộng.
Sau đó, dựng đường tuyến tính trong hệ tọa độ Abs theo (Cx+ΔC), tiến hành tương tự như dựng đường chuẩn.
Phương pháp thêm chuẩn có độ chính xác cao do loại trừ được ảnh hưởng của nền mẫu. Nhưng phương pháp thêm chuẩn tốn nhiều thời gian chuẩn bị mẫu hơn so với phương pháp pháp đường chuẩn.
Trong đề tài này, chúng tôi chọn phương pháp đường chuẩn để định lượng nhanh nồng độ AMO và CEF trong các dung dịch mẫu.
2.3.3. Phương pháp tổng hợp và biến tính vật liệu nanosilica 2.3.3.1. Tổng hợp vật liệu nanosilica từ vỏ trấu 2.3.3.1. Tổng hợp vật liệu nanosilica từ vỏ trấu
Vỏ trấu sấy khô được nghiền thành bột mịn. Cân khoảng 80 g vỏ trấu trong cốc thuỷ tinh dung tích 1lit có chứa 386 g H2O cất 2 lần và 14 g axit sunfuric (H2SO4) 98% đặc khuấy và gia nhiệt trong 5 giờ ở tốc độ 8 và nhiệt độ 1500C. Sau khi xử lý bằng axit rửa nhiều lần bằng nước cất. Tiếp đó sấy khơ mẫu ở 1000C trước khi chuyển ra chén nung ở 8000
C trong 24 giờ. Mẫu được để nguội về nhiệt độ phòng sẽ được rửa lần 2 lần bằng axit H2SO4 loãng. Sau mỗi lần rửa vật liệu được rửa kĩ bằng nước cất và nung lại ở ở 8000
C trong 15 giờ để hoạt hóa bề mặt vật liệu [67,68]. Cuối cùng mẫu được để nguội trong bình hút ẩm desicator trước khi bảo quản trong lọ PE sạch.
Hình 2.1. Ảnh chụp vỏ trấu (a), vỏ trấu nghiền thành bột (b) và vật liệu nanosilica được chế tạo thành công từ vỏ trấu (c).
Đặc tính của vật liệu nanosilica điều chế từ vỏ trấu được nghiên cứu bằng các phương pháp XRD, FT-IR và SEM.
2.3.3.2. Nguyên tắc biến tính vật liệu silica
Khi sử dụng trực tiếp vật liệu nanosilica từ vỏ trấu chưa biến tính thì khả năng hấp phụ khơng cao nên khó có thể ứng dụng trong công nghệ xử lý nước và nước thải cũng như để tách các kháng sinh trong mơi trường nước. Do đó, nghiên cứu biến tính vật liệu silica là cần thiết.
Khả năng hấp phụ của vật liệu silica phụ thuộc chính vào 2 yếu tố: độ xốp của vật liệu và bản chất điện tích bề mặt hay tính phân cực của bề mặt vật liệu.
Các lỗ xốp trên bề mặt vật liệu có vai trị như trung tâm hấp phụ. Các phần tử sẽ bị lưu giữ phần lớn trên các trung tâm này. Do vậy, biến tính vật liệu silica để tăng thêm độ xốp là một yếu tố cần thiết.
Ngồi ra với vật liệu khơng xốp và có tỉ trọng điện tích bề mặt khơng cao như silica chế tạo từ vỏ trấu, việc biến tính điện tích bề mặt và tăng độ xốp rất quan trọng khi hấp phụ các hợp chất phân cực, mang điện tích.
a) Biến tính vật liệu silica bằng PDADMAC
Biến tính vật liệu silica bằng PDADMAC là nhờ lực hút tĩnh điện mà các phân tử PDADMAC mang điện dương bám lên bề mặt các hạt silica tích điện âm. Phân tử polyme này đủ dài để tạo thành cầu nối giữa các hạt silica lại với nhau (Hình 2.2). Ngồi ra PDADMAC là một polyme mang điện dương mạnh nên phù hợp đối với các dung dịch có pH từ thấp tới cao.
Hình 2.2. Cơ chế hấp phụ PDADMAC vào bề mặt vật liệu silica
Một ưu điểm nổi trội của PDADMAC là mức độ lưu giữ tốt trên bề mặt vật liệu mặc dù chịu tác động của lực cơ học như ly tâm [63]
Hình 2.3. Mức độ lưu giữ PDADMAC trên bề mặt vật liệu sau khi li tâm b) Cách xử lý, biến tính vật liệu silica b) Cách xử lý, biến tính vật liệu silica
- Vật liệu silica trước khi sử dụng cần được sấy ở nhiệt độ 1000C trong 5h và để nguội về nhiệt độ phòng trong Desicator. Cân 5g vật liệu trong 50 ml nước cất 2 lần, bảo quản trong lọ nhựa, sau đó rung siêu âm và lắc đều đến khi thu được dung dịch đồng nhất.
- Hút chính xác dung dịch đồng nhất ở trên cho vào 1 ống falcon 15 ml, thêm vào 0,25 ml dung dịch PDADMAC 20%, thêm dung dịch muối KCl 1M với thể tích khác nhau để nghiên cứu ảnh hưởng của lực ion, định mức bằng nước cất 2 lần đến 10 ml, sau đó chỉnh pH bằng dung dịch KOH 0,1M và dung dịch HCl 0,1M. Sau đó, đem lắc trên máy lắc trong vòng 3 giờ.
- Sau 3 giờ lắc, lấy dung dịch đem đi li tâm, gạn bỏ phần dung dịch phía trên. Tiếp đến là rửa chất hấp phụ trong ống bằng nước cất hai lần để loại bỏ phần
PDADMAC có thể cịn lại trong dung dịch. - Sấy vật liệu silica đã được biến tính ở 600
C trong 8 giờ.
- Vật liệu đã được biến tính sau khi sấy khơ sẽ được sử dụng cho các nghiên cứu tiếp theo về hấp phụ và thử điều kiện tách các kháng sinh.
- Nồng độ PDADMAC còn lại trong dung dịch cũng được xác định bằng phương pháp đo tổng TN.
2.4. Hóa chất, thiết bị và dụng cụ thí nghiệm
2.4.1. Hóa chất
- Chất chuẩn kháng sinh Amoxicillin (AMO.3H2O) 98% được mua từ cơng ty hóa chất cơng nghiệp Tokyo Chemical Industry, Nhật Bản.
- Chất chuẩn kháng sinh Cefixime (CEF), độ tinh khiết 99% được mua từ Viện kiểm nghiệm Dược phẩm trung ương.
- Axit HCl 37 % và axit H2SO4 98%, pA – Scharlau, Tây Ban Nha.
- Các hóa chất khác như: KOH, KCl đều là loại tinh khiết phân tích của Merck. - Dung dịch Polyme PDADMAC 20%, khối lượng phân tử 400-500 kg/mol- Sigma
2.4.2. Thiết bị
- Để xác định hàm lượng AMO và CEF trước và sau khi hấp phụ, nghiên cứu sử dụng phương pháp UV- Vis trên thiết bị quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis, (1650-PC- Shimadzu, Nhật Bản).
Hình 2.4. Thiết bị quang phổ tử ngoại khả kiến UV – 1650PC, Shimadzu, Nhật Bản Nhật Bản
- Thiết bị phân tích tổng cacbon (TOC-V CPH , Shimadzu, Nhật Bản) có nối ghép với bộ đo tổng nitơ.
- Thiết bị quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR Affinity-1S, Shimadzu, Nhật Bản).
- Thiết bị nhiễu xạ Rơnghen XRD (Bruker D8 Advance, Đức).
- Thiết bị kính hiển vi điện tử quét SEM (JEOLJSM 6360, Nhật Bản) - Máy rung siêu âm, có gia nhiệt của hãng BRANSONIC 521.
- Máy lắc ngang Cole Parmer, 51704 (Mỹ).
- Máy đo pH của hãng HANNA với điện cực thủy tinh và các dung dịch pH đệm pH để chuẩn lại thiết bị cùng điện cực trước khi đo.
- Thiết bị lọc nước deion Labconco (Mỹ).