Luận văn Nghiên cứu khả năng xử lý thuốc kháng sinh họ B- Laptam trong môi trường nước bằng than hoạt tính biến tính

tiền cho việc loại bỏ các Amoxicillin, Cephalexin, Tetracycline và Penicillin G từ dung dịch nước. Việc hoạt hóa các hạt nano carbon đã được thực hiện bằng dung dịch NaOH, KOH, ZnCl2, NaCl và HNO3. Hiệu suất khử (R%) các chất ô nhiễm cho thấy NaOH có thể được sử dụng như là một tác nhân hiệu quả, chi phí thấp và thân thiện môi trường (R = 74- 88%). Diện tích và thể tích lỗ xốp của than hoạt tính đã thu được tương ứng là 13,397 m2/g và 54,79 cm3/g. pH hấp phụ tối ưu bằng 2, nồng độ chất hấp phụ là 0,4 g/L, nồng độ dung dịch kháng sinh 20 mg/L, thời gian cân bằng hấp phụ là 8 h. Có thể tái sử dụng chất hấp phụ bằng cách sử dụng NaOH giải hấp vật liệu hấp phụ[8]. Kamyar Yaghmaeian và các cộng sự đã nghiên cứu loại bỏ amoxicillin khỏi nước bằng hấp phụ lên carbon biến tính bằng NH4Cl (NAC) và than hoạt tính tiêu chuẩn (SAC) trong các cột cố định với ozon-tái sinh của cacbon no. Kết quả thu được cho thấy dung lượng hấp phụ của NAC là lớn hơn nhiều so với SAC tại mỗi EBCTs thử nghiệm. Dựa trên các dữ liệu thực nghiệm, khả năng hấp phụ điểm đột phá của NAC tăng 73,3-274,1 mg/g và của SAC đã tăng từ khoảng 31,6-65,2 mg/g với một EBCT tăng 2-10 phút. Có thể bão hòa NAC tại chỗ để tái sinh hoàn toàn thông qua một quá trình ozone-tái sinh xúc tác với một liều lượng ozon 1,4 mg-O3/phút cho 3 h và NAC tái sinh đã được chứng minh có khả năng hấp phụ tương tự như của NAC ban đầu. NAC đã cải thiện chất lượng của các mẫu nước thực sự ô nhiễm từ các chất gây ô nhiễm nền và loại bỏ hoàn toàn amoxicillin. Vì vậy, các NAC hấp phụ cố định 12 và ozon hóa tiếp là một nghiên cứu đầy hứa hẹn và hiệu quả cho việc loại bỏ các chất gây ô nhiễm amoxicillin trong nguồn nước ô nhiễm [9]. 13 CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM 2.1 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận văn 2.1.1 Mục tiêu Nghiên cứu xử lý các thuốc kháng sinh loại β-lactam trong nước bằng vật liệu than biến tính. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới khả năng hấp phụ thuốc kháng sinh của các vật liệu than biến tính. 2.1.2 Nội dung nghiên cứu Nghiên cứu các điều kiện hấp phụ amoxicillin và cefotaxim natri trong phòng thí nghiệm. So sánh khả năng xử lý thuốc kháng sinh họ β-lactam của vật liệu than biến tính và vi sinh vật hiếu khí. 2.2 Hóa chất, dụng cụ 2.2.1 Dụng cụ - Máy đo quang - Máy đo pH - Cân phân tích 4 số - Tủ sấy - Tủ hút - Máy lắc - Và các dụng cụ thí nghiệm khác 2.2.2 Hóa chất và vật liệu 2.2.2.1.Chuẩn bị hóa chất - Dung dịch axit nitric HNO3 (63%) - Dung dịch peoxit H2O2 (30%) 14 - Dung dịch axit Clohidric HCl (30%) - Dung dịch natri hidroxit NaOH (1M) - Dung dịch Amoxicillin 1000ppm (AMX): Cân 1g AMX hòa trong 1 lít nước cất 2 lần ta được dung dịch AMX nồng độ 1000 mg/l. - Dung dịch Cefutaxin natri 100ppm (CFN): Cân 1,069g cefotaxin natri 93,49% hòa tan trong 1 lít nước cất 2 lần ta được dung dịch CPN nồng độ 1000mg/l. - Hỗn hợp phản ứng: Hòa tan 10,216g K2Cr2O7 loại PA đã được sấy ở nhiệt độ 105°C sau đó thêm 167ml dung dịch H2SO4 và 33,3g HgSO4. Để nguội và định mức đến 1000ml bằng nước cất. - Hỗn hợp xúc tác: Pha 5,5g Ag2SO4 trong 1 kg dung dịch H2SO4 đặc (d = 1,84 g/mL) có thể khuấy hoặc để cho Ag2SO4 tan hết mới sử dụng. - Pha dung dịch chuẩn kalihiđrophtalat (HOOCC6H4COOK): Sấy sơ bộ một lượng kalihiđrophtalat ở 105°C. Sau đó cân 850mg kalihiđrophtalat pha và định mức vào bình 1 lít (dung dịch này có nồng độ 1mg O2/mL). 2.2.2.2. Vật liệu - Than hoạt tính Trà Bắc, được rã, rây lấy kích thước 0,5-1mm, rửa sạch bụi bẩn bằng nước cất. Sấy khô vật liệu ở 1000C thu được vật liệu than hoạt tính (kí hiệu AC). - Than hoạt tính biến tính brom (kí hiệu AC-Br) , than biến tính brom lấy từ đề tài KC-08/11-15 của phòng thí nghiệm hóa môi trường – trường đại học Khoa học Tự nhiên. - Than hoạt tính biến tính lưu huỳnh (kí hiệu AC-S) được tổng hợp bằng cách trộn đều than hoạt tính với 1g bột lưu huỳnh (5%S) sau đó đưa vào bình kín và nung ở nhiệt độ 500oC trong 2 giờ. 15 - Than hoạt tính biến tính bằng H2O2 15% trong H2SO4 : Cân 50 g than hoạt tính cho vào bình nón, sau đó thêm tiếp vào bình 50ml dung dịch H2SO4 và 50ml dung dịch H2O2 15% được duy trì ở nhiệt độ 500C trong 1 giờ. Sau đó gạn bỏ phần dung dịch, rửa sạch than bằng nước cất về pH trung tính. Sấy khô vật liệu ở 1050C thu được vật liệu than biến tính bằng H2O2 (kí hiệu AC-H2O2). - Than hoạt tính biến tính bằng HNO3 đặc : Đun cách thủy hỗn hợp 50 g than hoạt tính cỡ hạt 0,5-1mm trong 250ml dung dịch HNO3 đặc ở 1000C trong 4 giờ. Sau đó rửa sạch về pH trung tính. Sấy khô, rồi ngâm sản phẩm thu được vào 250ml dung dịch NaOH 0,5M trong 24 giờ. Sản phẩm sau khi ngâm trong dung dịch NaOH được rửa sạch và sấy khô, thu được vật liệu biến tính bằng dung dịch HNO3 (kí hiệu AC- HNO3). 2.3 Xây dựng đường chuẩn amoxicillin, cefotaxim natri và ảnh hưởng của pH tới sự dịch chuyển bước sóng. 2.3.1. Xây dựng đường chuẩn amoxicillin * Xác định bước sóng hấp thụ cực đại của amoxicillin - Để xác định được bước sóng hấp thụ cực đại của amoxicillin chúng tôi tiến hành quét bước sóng hấp thụ của dung dịch amoxicillin ở các nồng độ 50 mg/l, 70 mg/l và 100 mg/l, pH= 6- 7 ta thu được kết quả như sau: Bảng 2. 1 Bảng thể hiện độ hấp thụ quang của AMX ở các nồng độ khác nhau Nồng độ (mg/l) Bước sóng (nm) Abs 50 272 0,133 228 1,19 70 272 0,191 228 1,67 100 272 0,271 228 2,356 16 Hình 2. 1 Đồ thị quét bước sóng cực đại của AMX Từ kết quả thu được nhận thấy bước sóng hấp thụ cực đại của amoxicillin ở 228nm. Tiến hành xây dựng đường chuẩn của amoxicillin ở bước sóng 228nm *Xây dựng đường chuẩn amoxicillin với nồng độ từ 1- 90mg/l Pha các dung dịch amoxicillin có nồng độ từ 1- 90mg/l. Sau đó tiến hành đo độ hấp thụ tại bước sóng 228nm ta được kết quả như sau: Bảng 2. 2 Kết quả xác định cực đại hấp thụ (Abs) của dung dịch chuẩn AMX từ nồng độ 1-90mg/l Nồng độ (mg/l) 1 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Abs 0,022 0,224 0,484 0,773 0,956 1,19 1,427 1,67 1,919 2,119 17 Hình 2. 2 Đường chuẩn amoxicillin từ 1-100mg/l *Ảnh hưởng của pH tới bước sóng hấp thụ của amoxicillin Đối với amoxicillin thì pH có ảnh hưởng lớn tới bước sóng hấp thụ của amoxicillin. Do vậy, chúng tôi tiến hành đo dung dịch amoxicillin 50mg/l đã được điều chỉnh về các pH 2, 4, 6, 8, 10 và thu được kết quả như sau: Hình 2. 3 Đồ thị xác định bước sóng hấp thụ amoxicillin ở các pH khác nhau. y = 0,0237x + 0,0103 R² = 0,9991 0 0,5 1 1,5 2 2,5 0 20 40 60 80 100 18 Từ kết quả thu được ta thấy có sự dịch chuyển bước sóng hấp phụ AMX ở các pH khác nhau. Tại pH= 2,4, 6 thì AMX hấp thụ tốt ở bước sóng 228nm, trong khi ở pH= 8, 10 thì AMX hấp phụ tốt ở bước sóng 246nm. 2.3.2 Xây dựng đường chuẩn Cefotaxim natri * Xác định bước sóng hấp thụ cực đại của cefotaxim natri Để xác định bước sóng hấp thụ cực đại của cefotaxim natri chúng tôi tiến hành quét bước sóng hấp thụ của dung dịch cefotaxim natri ở các nồng độ 50mg/l, 70mg/l và 100mg/l, pH= 6- 7 ta thu được kết quả như sau: Bảng 2. 3 Kết quả xác định bước sóng của cefotaxim natri ở các nồng độ khác nhau STT Nồng độ (mg/l) Bước sóng (nm) Abs 1 50 234 1,95 2 70 234 2,73 3 100 233 3,82 Hình 2. 4 Đồ thị xác định bước sóng hấp phụ cực đại của cefotaxim natri Từ kết quả thu được nhận thấy bước sóng hấp thụ cực đại của cefotaxim natri ở 234 nm. Tiến hành xây dựng đường chuẩn của cefotaxim natri ở bước sóng 234 nm. 19 *Xây dựng đường chuẩn cefotaxim natri với nồng độ 1-70mg/l Pha các dung dịch cefotaxim natri có nồng độ từ 1- 70mg/l. Sau đó tiến hành đo độ hấp thụ tại bước sóng 234nm ta được kết quả như sau: Bảng 2. 4 Kết quả đo cực đại hấp thụ (Abs) của cefotaxim natri từ 1-70mg/l Nồng độ (mg/l) 1 10 20 30 40 50 60 70 Abs 0,0524 0,399 0,804 1,1754 1,584 1,951 2,347 2,73 Hình 2. 5. Đường chuẩn cefotaxim natri từ 1-70mg/l *Ảnh hưởng của pH tới bước sóng hấp thụ của cefotaxim natri Để nghiên cứu ảnh hưởng của pH đến bước sóng hấp thụ của cefotaxim natri chúng tôi tiến hành đo dung dịch cefotaxim natri nồng độ 50mg/l đã được điều chỉnh về các pH 2, 4, 6, 8, 10 và thu được kết quả như sau: y = 0,0388x + 0,017 R² = 0,9999 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Abs 20 Hình 2. 6 Đồ thị xác định ảnh hưởng của pH tới bước sóng hấp thụ của cefotaxim natri Như vậy, ở các pH khác nhau thì dung dịch có sự dịch chuyển cực đại hấp thụ. Ở pH 2-6 thì bước sóng hấp thụ cực đại 234nm, ở pH 8-10 thì bước sóng hấp thụ cực đại là 260nm. 2.3.3. Xây dựng đường chuẩn COD Từ dung dịch chuẩn kalihiđrophtalat 1000mg/L, pha loãng với các tỉ lệ khác nhau để thu được các dung dịch có các nồng độ 0, 25, 50, 100, 200, 500, 1000mg/L. Lấy 2,5mL mỗi dung dịch chuẩn ở trên vào ống phá mẫu, sau đó thêm vào 1,5 mL hỗn hợp phản ứng và 3,5 mL hỗn hợp xúc tác. Đặt ống phá mẫu vào lò phá mẫu ở nhiệt độ 148°C trong 2h. Sau đó, lấy ống phá mẫu ra để nguội tới nhiệt độ phòng và đo sự phụ thuộc của giá trị COD vào mật độ quang tại bước sóng 605 nm thu được kết quả sau: 21 Bảng 2. 5 Kết quả đo sự phụ thuộc COD vào Abs STT Giá trị COD Abs 1 25 0,021 2 50 0,024 3 100 0,047 4 200 0,080 5 500 0,161 6 1000 0,290 Hình 2. 7 Đường chuẩn COD 2.4 Các phương pháp đánh giá đặc tính của vật liệu hấp phụ 2.4.1 Phương pháp tính toán tải trọng hấp phụ cực đại Phương trình Langmuir y = 0,0003x + 0,017 R² = 0,997 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0 200 400 600 800 1000 1200 A b s COD Đường chuẩn COD 22 Mô hình tính toán cho các phương pháp hấp phụ, trao đổi ion thường sử dụng là phương trình Langmuir. Khi thiết lập phương trình hấp phụ Langmuir, người ta xuất phát từ các giả thiết sau: - Tiểu phân bị hấp phụ liên kết với bề mặt tại những trung tâm xác định -Mỗi trung tâm chỉ hấp phụ một tiểu phân. - Bề mặt chất hấp phụ là đồng nhất, nghĩa là năng lượng hấp phụ trên các trung tâm là như nhau và không phụ thuộc vào sự có mặt của các tiểu phân hấp trên các trung tâm bên cạnh. Thuyết hấp phụ Langmuir được mô tả bởi phương trình: Trong đó: ,m : dung lượng và dung lượng hấp phụ cực đại (mg/g) C : nồng độ dung dịch tại thời điểm cân bằng b: hệ số của phương trình Langmuir (được xác định từ thực nghiệm) 23 Hình 2. 8. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir Để xác định các hằng số trong phương trình Langmuir, ta có thể viết phương trình này ở dạng: Đường biểu diễn C/  phụ thuộc vào C là đường thẳng có độ dốc 1/m và cắt trục tung tại 1/b.m . Do đó: 24 Hình 2. 9 Đường thẳng xác định hệ số Langmuir Phương trình Freundlich Đó là phương trình thực nghiệm áp dụng cho sự hấp phụ khí hoặc chất tan lên chất hấp phụ rắn: A=β.Cα Trong đó: A là lượng chất bị hấp phụ bởi 1 gam chất hấp phụ C: là nồng độ chất bị hấp phụ khi đạt cân bằng hấp phụ (mol/l) β và α luôn là hằng số, riêng α luôn bé hơn 1 Vì α< 1 nên đường biểu diễn của phương trình là một nhánh parabol và được gọi là đường đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich. Đường này khác với đường Langmuir ở chỗ vùng nồng độ thấp đường biểu diễn không là đường thẳng đi qua gốc tọa độ và ở vùng nồng độ cao, đường biểu diễn không đại cực đại mà có xu hướng đi lên mãi, đó là nhược điểm của đường Freundlich. Ở vùng nồng độ trung bình, hai đường biểu diễn giống nhau. Để đường hấp phụ mô tả đúng phương trình hấp phụ Freundlich cần giả thiết α không phải là hằng số mà là hàm số của nồng độ, ở nồng độ thấp α=1 khi đó ta sẽ có 25 A=β.C Còn ở nồng độ cao hơn khi α=0 khi đó ta sẽ có: A=β Để tính các hằng số trong phương trình Freundlich người ta cũng dung phương pháp đồ thị. Phương trình Freundlich có thể viết dưới dạng: lg A= lgβ + αlg C Như vậy lg A tỉ lệ bậc nhất với lgC. Đường biểu diễn trong hệ tọa độ lgA-lgC sẽ cắt trục tung tại N Hình 2. 10. Đồ thị xác định các hệ số trong phương trình Freundlich Ta có: ON = lgβ tgγ = α Từ hai phương trình này ta sẽ xác định được α, β 2.4.2 Xác định giá trị pH trung hòa điện của vật liệu Giá trị trung hòa điện (Point of zero charge – pHpzc) là giá trị pH tại đó bề mặt vật liệu trung hòa về điện. Phương pháp xác định dựa trên giả thiết là các proton H+ và các nhóm hydroxyl OH- là các ion quyết định điện tích, vật liệu trong 26 dung dịch sẽ hấp thụ H+ hoặc OH-. Điện tích bề mặt của vật liệu phụ thuộc vào pH của dung dịch. Các phân tử kim loại trên bề mặt có thể liên kết hoặc phá liên kết với proton của dung dịch phụ thuộc vào đặc điểm của vật liệu và pH của dung dịch. Do đó, bề mặt tích điện dương khi kết hợp với proton của dung dịch trong môi trường axit và tích điện âm khi mất proton trong môi trường kiềm. Phương pháp xác định pHpzc: lấy một lượng vật liệu cần nghiên cứu cho vào dung dịch KCl 0,1M, pH của dung dịch được điều chỉnh từ 2 – 12 bằng dung dịch KOH 0,1M hoặc HCl 0,1M. Sau khi đạt cân bằng, xác định lại pH của dung dịch, gọi là pH sau (pHf) của dung dịch. Từ đó xác định được ∆pH = pHf – pH Vẽ đồ thị pH và ∆pH, đồ thị này cắt trụ OX tại giá trị nào thì đó chính là pHpzc của vật liệu cần nghiên cứu. Hình 2. 11. Đồ thị xác định pHpzc của vật liệu 2.4.3 Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) Hiển vi điện tử là phương pháp sử dụng chùm tia electron năng lượng cao để khảo sát những vật thể rất nhỏ. Kết quả thu được qua những khảo sát này phản về mặt hình thái, diện mạo và tinh thể của vật liệu mà chúng ta cần xác định. 27 Phương diện hình thái bao gồm hình dạng và kích thước của hạt cấu trúc nên vật liệu. Diện mạo là các 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 của các nguyên 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 vô 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 SEM đặc biệt hữu dụng bởi vì nó cho độ phóng đại có thể thay đổi từ 10 đến 100.000 lần với hình ảnh rõ nét, hiển thị ba chiều phù hợp cho việc phân tích hình dạng và cấu trúc bề mặt. Hình 2. 12 Sơ đồ nguyên lý của kính hiển vi điện tử quét Hình 2.12 là sơ đồ đơn giản của thiết bị SEM, chùm electron từ ống phóng được đi qua một vật kính và được lọc thành một dòng hẹp. Vật kính chứa một số cuộn dây (cuộn lái electron) được cung cấp với điện thế thay đổi, cuộn dây tạo nên một trường điện từ tác động lên chùm electron, từ đó chùm electron sẽ quét lên bề mặt 28 mẫu tạo thành trường quét. Tín hiệu của cuộn lái cũng được chuyển đến ống catôt để điều khiển quá trình quét ảnh trên màn hình đồng bộ với quá trình quét chùm electron trên bề mặt mẫu. Khi chùm electron đập vào bề mặt mẫu tạo thành một tập hợp các hạt thứ cấp đi tới detector, tại đây nó được chuyển thành tín hiệu điện và được khuyếch đại. Tí