Thông số Đơn vị Nồng độ ô nhiễm
Cu mg/L 10
Nhiệt độ 0C 25
Áp suất atm 1
3.2.1 Nội dung 1: Điều chế gum sinh học từ hạt me
Theo nghiên cứu của Gupta V, Puri R và cộng sự (2010); K.Khounvilay, w. Sittikjyothin (2012) và R V Kulkarni, Anirudh Shah, and Rashmi Boppana (2008) q trình ly trích Biogum hạt me được tiến hành qua các bước sau: Hạt me sau thu hoạch được xay nhuyễn thành bột và lọc qua bằng rây với kích thước 0,18mm. Bột me được trích ly bằng ethanol qua hệ thống Soxhlet để loại bỏ hồn tồn màu và chất béo trong vịng 16 – 18 giờ.
Sau khi sấy khơ bột me hồn tồn, bột được khuấy với nước cất trong 2 giờ và ly tâm trong vòng 15 phút (5000 vòng/phút). Dung dịch sau đó được khuấy trộn với axetone theo tỷ lệ 1:1 để thu lấy sản phẩm gum và sấy khơ ở nhiệt độ phịng trong 24 giờ.
Bước 1: Hạt me (sau khi xử lý sơ bộ qua các bước tách hạt, rửa hạt, làm
khô) được xay nhuyễn và lọc qua bằng rây với kích thước 0,18mm, thu được bột mịn.
Bước 2: Bột mịn được đem đi loại màu và chấẽt béo bằng hệ thống
Soxhlet sử dụng ethanol (C2H5OH) trong khoảng 16 đến 18 tiếng theo các bước như sau:
- Cân bột khô (150g) cho vào tấm vải rồi đặt vào tháp trích ly (Đầu trên của ống giấy phải thấp hơn đỉnh ống xiphơng của tháp trích ly.)
- Bình cầu sau khi được sấy khơ, rót 2/3 thể tích dung mơi ethanol vào bình.
- Cho hệ thống nước chảy liên tục để làm mát bình cầu.
- Đun từ từ dung mơi trong bình bằng bếp cách thủy với nhiệt độ khoảng > 75oC.
- Bột me được lấy ra khỏi tháp trích ly và được sấy ở nhiệt độ 50oC trong vịng 2 giờ để loại bỏ nước trong bột[25].
Hình 4. Quy trình trích ly béo và màu trong hạt me
Bước 3: Bột me (sau loại màu và chất béo) được hòa tan trong 200ml nước cất
với 20g bột khuấy đều, sau đó đổ vào 800ml nước đã đun sôi 20 phút khuấy từ trong vòng 1 giờ ở nhiệt độ phòng (30±2oC), sau đó đem ly tâm (5000 vòng/ phút) trong 15 phút[47].
Dung dịch sau khi ly tâm được thêm axeton 90% (tỷ lệ 1:1), giải thích lý do phải sử dụng axetone là do axetone dễ dàng bay hơi và sử dụng axetone cho kết quả kết tủa xuất hiện nhanh hơn. Sau khi kết tủa xuất hiện, phần kết tủa được sấy khô ở nhiệt độ 30oC trong 12 giờ. Biogum được nghiền nhỏ, trữ trong tủ lạnh và sử dụng như một chất keo tụ trong xử lý nước.
Hình 5. Quy trình điều chế gum me[25]
Hạt me Xay nhuyễn
Rây (kích thước lỗ 0.18mm) Loại màu và chất béo
Bột me C2H5OH 16 – 18h Bột me H2O Gum me Khuấy Khuấy Ly tâm lạnh Kết tủa dịch lọc Sấy gum
Nước đun sơi
5000 vịng/phút, 15 phút
Nhiệt độ phịng Axetone
3.2.2 Nội dung 2: Xác định pH tối ưu của vật liệu để xử lý Cu2+
Bảng 6. Thí nghiệm xác định pH tối ưu cho vật liệu sinh học Biogum
Mẫu Cu2+ CuH1 CuH2 CuH4 CuH5
pH 2 3 4 5 Biogum (mL) 10 10 10 10 Nồng độ đầu vào (mg/1L) 25 25 25 25 Chú thích:
- CuH1: Điều chỉnh pH về giá trị 2 và thêm vào 10 mL Biogum - CuH2: Điều chỉnh pH về giá trị 3 và thêm vào 10 mL Biogum - CuH3: Điều chỉnh pH về giá trị 4 và thêm vào 10 mL Biogum - CuH4: Điều chỉnh pH về giá trị 5 và thêm vào 10 mL Biogum
Thí nghiệm được tiến hành với giá trị pH biến thiên 2, 3, 4, 5 với lượng chất keo tụ Biogum (mL) như ở bảng 6, tổng cộng có 4 nghiệm thức. Tiến hành khuấy nhanh 200 vòng/phút trong vòng 5 phút, khuấy chậm 20 vòng/phút trong 5 phút[30], sau đó lắng với thời gian lắng 30 phút. Giá trị pH mong muốn sẽ được điều chỉnh bằng cách cho để HCl 0.1M để hạ pH.
Sau khi thí nghiệm thu mẫu phân tích, lấy mẫu nước trong đo nồng độ ion kim loại nặng (Cu2+), so sánh hiệu xuất loại bỏ nồng độ ion kim loại nặng (Cu2+) của mỗi cốc để xác định được cốc có giá trị pH tốt nhất, xác định pH tối ưu.
3.2.3 Nội dung 3: Xác định liều lượng xử lý tối ưu của gum me đối với Cu2+
Bảng 7. Thí nghiệm xác định liều lượng tối ưu cho vật liệu sinh học Biogum trên nước giả định
Mẫu Cu2+ CuL1 CuL2 CuL3 CuL4 CuL5
pH Tối ưu Tối ưu Tối ưu Tối ưu Tối ưu
Nồng độ đầu vào
(mg/1L) 25 25 25 25 25
Biogum (mL) 10 20 30 40 50
Chú thích:
- CuL1: Cố định pH tối ưu và thêm vào 10 mL Biogum - CuL2: Cố định pH tối ưu và thêm vào 20 mL Biogum - CuL3: Cố định pH tối ưu và thêm vào 30 mL Biogum - CuL4: Cố định pH tối ưu và thêm vào 40 mL Biogum - CuL5: Cố định pH tối ưu và thêm vào 50 mL Biogum
Các thí nghiệm nghiên cứu được tiến hành ở điều kiện như các thí nghiệm trước, lượng keo tụ Biogum (mL) thay đổi như bảng 8, pH tối ưu được chọn từ thí nghiệm 2 và được điều chỉnh bằng dung dịch HCl.
Khuấy nhanh 200 vòng/phút trong vòng 5 phút, khuấy chậm 20 vòng/phút trong 5 phút [30]. Để lắng cặn 30 phút, lấy dung dịch xác định nồng độ ion kim loại nặng (Cu2+) bằng thiết bị đo kim loại nặng AAS 7000.
3.2.4 Nội dung 4: Xác định thời gian xử lý tối ưu của gum me đối với Cu2+
Bảng 8. Thí nghiệm xác định liều lượng tối ưu cho vật liệu sinh học Biogum trên nước giả định
Mẫu Cu2+ CuT1 CuT2 CuT3 CuT4 CuT5
pH Tối ưu Tối ưu Tối ưu Tối ưu Tối ưu
Nồng độ đầu vào (mg/1L) 25 25 25 25 25
Biogum (mL) 10 10 10 10 10
Thời gian xử lý (phút) 10 20 30 60 120
Chú thích:
- CuT1: Cố định pH tối ưu và thêm vào 10 mL Biogum, xử lý trong 10’ - CuT2: Cố định pH tối ưu và thêm vào 10 mL Biogum, xử lý trong 20’ - CuT3: Cố định pH tối ưu và thêm vào 10 mL Biogum, xử lý trong 30’ - CuT4: Cố định pH tối ưu và thêm vào 10 mL Biogum, xử lý trong 60’ - CuT5: Cố định pH tối ưu và thêm vào 10 mL Biogum, xử lý trong 120’
Các thí nghiệm nghiên cứu được tiến hành ở điều kiện như các thí nghiệm trước, thời gian keo tụ Biogum (mL) thay đổi như bảng 3, pH tối ưu được chọn từ thí nghiệm 2 và được điều chỉnh bằng dung dịch HCl.
3.3 Phương pháp nghiên cứu3.3.1 Phương pháp phân tích 3.3.1 Phương pháp phân tích
Các chỉ tiêu pH được đo bằng máy đo pH MW 100. Các chỉ tiêu cịn lại được phân tích tại Viện nhiệt đới mơi trường.
Bảng 9. Phương pháp phân tích
STT Chỉ tiêu Đơnvị Phương pháp phân tích Số hiệu tiêu chuẩn
1 pH Đo trực tiếp bằng máy đo pH
TCVN 6492:2011 (ISO 10523:2008) Chất lượng nước - Xác định pH
2 Cu2+ mg/L Máy đo kim loại nặng
TCVN 6626:2000 (ISO 11969:1996) - Chất lượng nước - Xác định Đồng. Phương pháp đo hấp thụ nguyên tử (kỹ thuật h`ydrua). 3.3.2 Phương pháp xử lý số liệu
Số liệu được phân tích tương quan để đánh giá mối quan hệ giữa các chỉ tiêu có trong nước thải nghiên cứu bằng phần mềm Excell.
3.3.3 Phương pháp đồ thị
Thực hiện khái quát thí nghiệm theo các quan hệ tương quan để so sánh kết quả, kết hợp q trình thực nghiệm chính xác và thuyết phục.
3.3.4 Phương pháp thu thập thông tin, kế thừa tài liệu
Tham khảo các tài liệu trong nước và ngoài nước: các bài báo khoa học, nghiên cứu liên quan đến đề tài.
Kế thừa tài liệu có liên quan trực tiếp đến q trình nghiên cứu được cơng bố ở các cấp, các ngành. Tài liệu này chủ yếu bao gồm:
Các cơng trình nghiên cứu, đề tài và tạp chí khoa học.
Sử dụng các nguồn số liệu, thông tin từ các sách, báo có liên quan đến vấn đề cần nghiên cứu nhằm rút ngắn thời gian và kế thừa kết quả trước đó.
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN4.1 Điều chế gum sinh học từ hạt me 4.1 Điều chế gum sinh học từ hạt me
Biogum trong hạt của hạt me được cô lập qua các công đoạn loại màu và béo, tiếp theo ly trích bằng phương pháp hịa tan trong nước cất và cô lập chất nhầy gum theo tổng hợp phương pháp Gupta V, Puri R và cộng sự (2010) vì. Biogum tan được trong nước, sau đó Biogum được kết tủa lại trong axeton.
4.1.1 Thành phần cấu trúc của vật liệu sinh học keo tụ Biogum hạt me
Hình 6. Kết quả phổ FT – IT của Biogum Hạt Me
Kết quả phân tích đồ thị FT-IR (Hình 6) của Biogum được điều chế từ Hạt Me cho ta thấy trong chất keo tụ sinh học này chứa nhiều nhóm chức cụ thể tương ứng với nhiều bước sóng dao động ở bước sóng 3439,92 cm-1 và 3476,53 cm-1, tương ứng, các đỉnh tinh thể - OH (hydrat) và nhóm - OH (hydroxyl)[31] . Các nhóm C - H được thể hiện ở dãy bước sóng 2931 cm-1 và 2926 cm-1[31]. Ở các đỉnh giao động trong bước sóng 1648,39 cm-1 cho thấy sự hiện diện của nhóm carboxyl (−COO−)[31] . Tại đỉnh 1037,03 cm-1 chỉ ra sự rung động của các nhóm C – N trong aliphatic amin hoặc trong rượu hoặc phenol[32] . Phân tích phổ trên cho thấy sự tương đồng về sự hiện diện của các nhóm chức trên với các nghiên cứu của Yehia Manawia, Gordon McKay và công sự (2018) [33]; Sumona Mukherjeea, Soumyadeep Mukhopadhyay và cộng sự (2018) [34]; V.T.P. Vinod a, R.B. Sashidhar và cộng sự (2011) [35].
Phổ FT-IR của Biogum Hạt me được trình bày trong Hình 6 cho thấy chất keo tụ sinh học Gum Me sở hữu các nhóm chức, có thể hấp phụ kim loại nặng. Các nhóm chức năng chính bao gồm anion carboxylate (-COO), cation
hydroxyl (-OH) và các nhóm khác (-C-N, -C-O, -C-H,..). Các nhóm chức liên quan đến hấp thụ sinh học kim loại hóa trị hai bao gồm hydroxyl, carboxyl, ether và các nhóm rượu. Kết quả thực nghiệm của nghiên cứu này chỉ ra rằng sự hấp thụ sinh học của các ion kim loại (Cd2+, Cu2+, Fe2+, Pb2+, Ni2+, Zn2+, Hg2+ và tổng Cr) bởi Biogum xảy ra do sự tương tác tĩnh điện và phức tạp các nhóm rượu, este, amino, axit uronic và acetyl có trong biopolymer có khả năng tương tác với các ion kim loại ở pH = 5. Hình 7 mơ tả bản chất tương tác của ion kim loại (M+) với chất biopolymer [36].
Hình 7. Sơ đồ cho thấy sự liên kết chéo của một cation kim loại trong ma trận Biogum (M+ = Cd2+, Cu2+, Fe2+, Pb2+, Ni2+, Zn2+, Hg2+ và tổng Cr)
Kết quả chụp ảnh từ kính hiển vi điện tử quét (SEM) (hình 7) cho thấy Biogum ly trích từ hạt Me là chất bột vơ định hình với bề mặt gồ ghề.
Hình 8. Kết quả ảnh SEM của Gum me
Kết quả nghiên cứu cũng tương đồng với nghiên cứu của Thân Văn Long (2017) đối với gum Muồng Hoàng Yến, và Sumona Mukherjeea (2018) đối với gum Guar trong xử lý ion kim loại Pb2+ của Locust Bean gum trong ứng dụng kết hợp xử lý Cu2+[44].
Theo kết quả nghiên cứu Shamik Chowdhury (2011)cho thấy Ảnh vi mô SEM của chất hấp thụ sinh học trước khi hấp thụ kim loại, chất hấp thụ sinh học được đặc trưng bởi cấu trúc không đều và xốp. Tuy nhiên, như có thể thấy cấu trúc kết cấu xốp không được quan sát thấy trên bề mặt của chất hấp thụ sinh học được nạp Cu (II).
Vậy từ thành phần và cấu trúc của Biogum có thể dự đoán: Biogum có khả năng loại bỏ cation kim loại nặng, chất màu và các chất hữu cơ khác có trong nước thải.
4.1.2 Đánh giá khả năng phân huỷ của vật liệu Biogum Hạt Me
Khả năng phân hủy sinh học của Biogum được đánh giá bằng cách khảo sát độ giảm TOC (Total Organic Carbon) của Biogum. Tổng carbon hữu cơ (TOC) là một phép đo gián tiếp của các phân tử hữu cơ có trong nước[37] .
Kết quả nghiên cứu Bảng 10 cho thấy khả năng phân huỷ sinh học của Gum me khi hòa tan vào nước cất.
Bảng 10. Kết quả đo TOC của vật liệu Biogum Hạt Me
Mẫu 0 ngày 10 ngày 20 ngày
Ngày 0 Ngày 10 Ngày 20 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 41 76.95
KHẢO SÁT KHẢ NĂNG PHÂN HUỶ CỦA VẬT LIỆU BIOGUM
H iệ u su ất g iả m T O C c ủa v ật li ệu ( % )
Hình 9. Hiệu suất giảm nồng độ TOC của vật liệu Biogum Hạt Me
Kết quả nghiên cứu từ (Hình 6) cho thấy Biogum khi cho vào nước cất sau 10 ngày Biogum giảm 41% so với ban đầu và 76,95% sau 20 ngày. Kết quả nghiên cứu tương đồng với nghiên cứu của Nguyễn Võ Châu Ngân, Đào Minh Trung, 2017 về Nghiên cứu chế tạo vật liệu keo tụ biogum sinh học trích ly từ hạt muồng hoàng yến và khảo sát khả năng cải thiện chất lượng nước thải công nghiệp cho thấy Biogum có khả năng phân hủy trong môi trường nước tự nhiên và môi trường nước nghiên cứu.
Vậy từ thành phần và cấu trúc của Biogum có thể dự đoán: Biogum có khả năng loại bỏ cation kim loại nặng.
4.2 Kết quả khảo sát pH xử lý tối ưu của vật liệu Biogum Hạt me xử lý
nước thải giả định chứa Cu2+
Theo kết quả nghiên cứu của Motsa et al. (2013) cho thấy pH của nước thải có ảnh hưởng lớn đến hiệu quả loại bỏ ion kim loại, pH của môi trường có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình keo tụ. pH có thể làm thay đổi tính chất điện của hạt keo, do đó có thể làm tăng khả năng keo tụ hay keo tán của hệ keo và làm ảnh hưởng đến tốc độ keo tụ trong dung dịch. Vì vậy, trong các quá trình xử lý nước thải theo phương pháp keo tụ cần phải xác định được giá trị pH tại đó quá trình keo tụ xảy ra với tốc độ cao nhất.
Thí nghiệm được tiến hành với nước thải giả định Cu2+ có nồng độ đầu vào là 25 mg/L với lượng gum tương ứng là 10 mL cho 1000 ml nước thải. Kết quả phân tích hiệu quả xử lý ion kim loại Cu2+ được thể hiện trong Bảng 11.
Bảng 11. Kết quả phân tích ion kim loại Cu2+- Xác định pH xử lý tối ưu
Mẫu Liều lượng Gum
me (ml) pH Nồng độ Cu2+ (mg/l) Hiệu suất (%) CuH1 10 2 19.200.39 23.21 CuH2 10 3 17.760.23 28.95 CuH3 10 4 15.210.37 39.16 CuH4 10 5 12.300.32 50.79
Khảo sát pH ở các giá trị 2, 3, 4 và 5; cố định 10 mL gum cho 1000ml nước thải, kết quả cho thấy gum loại bỏ ion kim loại tốt nhất ở pH = 5 thể hiện qua Hình 10.
Ở các giá trị pH rất thấp (pH = 1-2), sự hấp thụ kim loại đã được tìm thấy khơng đáng kể. Trong nghiên cứu hiện tại, các giá trị tối ưu cho xử lý sinh học của nước thải công nghiệp được xác định ở pH ban đầu 5. Ở mức cao hơn (pH = 5), các ion kim loại có thể được thủy phân và tạo thành hydroxit kim loại, giúp giảm khả năng hấp phụ của biogum. Ở pH (4,5-5), các nhóm phosphate, carboxyl và sulphate đã hoạt động. Hơn nữa, giá trị pH của dung dịch ảnh hưởng mạnh đến không chỉ sự phân ly vị trí của bề mặt sinh khối mà cịn cả hóa học dung dịch của các kim loại nặng như thủy phân, tạo phức bởi các phối tử hữu cơ hoặc vô cơ, phản ứng oxi hóa khử, kết tủa, đặc tính và khả năng hấp thụ sinh học của các kim loại nặng [36].
2 3 4 5 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0 90.0 100.0 19.20 17.76 15.21 12.30 23.21 28.95 39.16 50.79
KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA pH TRONG XỬ LÝ Cu
Nồng độ Cu sau xử lýpH Tỷ lệ Phần Trăm
N ồ n g đ ộ s au x ử lý ( m /l) H iệ u s u ấ t xử lý c ủ a vậ t liệ u ( % )
Hình 10. Biểu đồ kết quả khảo sát pH của vật liệu xử lý Cu2+
Kết quả cho thấy khi nghiên cứu trên vật liệu sinh học Biogum được điều chế từ hạt me (Tamarindus indica), khi ở pH = 5 đạt hiệu suất xử lý ion kim loại Cu2+ đạt 50.79% tốt hơn với các giá trị pH khác. Kết quả này cũng tương đồng