Luận văn Thạc sĩ Hoá học: Nghiên cứu cơ chế hấp phụ polyme mang điện âm trên đá ong tự nhiên và ứng dụng để xử lý kháng sinh

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:98

Thêm vào BST

Báo xấu

16
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích của Luận văn là nghiên cứu cơ chế hấp phụ polyme mang điện âm (polystyrene sulfonate) trên đá ong tự nhiên. Nghiên cứu khả năng hấp phụ kháng sinh tetracycline của vật liệu đá ong biến tính (có so sánh với đá ong tự nhiên). Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Hoá học: Nghiên cứu cơ chế hấp phụ polyme mang điện âm trên đá ong tự nhiên và ứng dụng để xử lý kháng sinh

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM ––––––––––––––––––––– PHẠM THỊ HỒNG NGUYỆT NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ HẤP PHỤ POLYME MANG ĐIỆN ÂM TRÊN ĐÁ ONG TỰ NHIÊN VÀ ỨNG DỤNG ĐỂ XỬ LÝ KHÁNG SINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC THÁI NGUYÊN - 2020
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM ––––––––––––––––––––– PHẠM THỊ HỒNG NGUYỆT NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ HẤP PHỤ POLYME MANG ĐIỆN ÂM TRÊN ĐÁ ONG TỰ NHIÊN VÀ ỨNG DỤNG ĐỂ XỬ LÝ KHÁNG SINH Ngành: Hóa Phân Tích Mã ngành: 8.44.01.18 LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS. TS. Ngô Thị Mai Việt THÁI NGUYÊN - 2020
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Đề tài: "Nghiên cứu cơ chế hấp phụ polyme mang điện âm trên đá ong tự nhiên và ứng dụng để xử lý kháng sinh" là do bản thân tôi thực hiện. Các số liệu, kết quả trong đề tài là trung thực. Nếu sai sự thật tôi xin chịu trách nhiệm. Thái Nguyên, tháng 09 năm 2020 Tác giả Phạm Thị Hồng Nguyệt Xác nhận Xác nhận của Khoa chuyên môn của giáo viên hƣớng dẫn PGS.TS. Ngô Thị Mai Việt ii
LỜI CẢM ƠN Trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài luận văn thạc sĩ, chuyên ngành Hóa Phân tích tại Khoa Hóa học - Trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên, em đã nhận được sự ủng hộ, giúp đỡ của các thầy cô giáo, bạn bè và gia đình. Trước tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến PGS.TS. Ngô Thị Mai Việt, cô đã tận tình hướng dẫn, truyền đạt kiến thức và kinh nghiệm quý báu để em có thể hoàn thành luận văn này. Em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến các thầy giáo, cô giáo Khoa Hóa học, các thầy cô trong Ban Giám hiệu Trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên đã giảng dạy, tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ em trong quá trình học tập và nghiên cứu. Mặc dù đã có nhiều cố gắng, song do thời gian có hạn và khả năng nghiên cứu của bản thân còn hạn chế nên kết quả nghiên cứu của em có thể còn thiếu sót. Em rất mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thầy giáo, cô giáo và các bạn để luận văn của em được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, tháng 09 năm 2020 Tác giả Phạm Thị Hồng Nguyệt iii
MỤC LỤC Trang bìa phụ.................................................................................................................................. i Lời cam đoan................................................................................................................................. ii Lời cảm ơn.................................................................................................................................... iii Mục lục ......................................................................................................................................... iv Danh mục kí hiệu viết tắt........................................................................................................... viii Danh mục bảng ........................................................................................................................... iix Danh mục hình ............................................................................................................................. xi MỞ ĐẦU ...................................................................................................................................... 1 NỘI DUNG .................................................................................................................................. 3 Chƣơng 1. TỔNG QUAN.......................................................................................................... 3 1.1. Giới thiệu về polyme mang điện âm .................................................................................... 3 1.2. Giới thiệu về kháng sinh........................................................................................................ 4 1.2.1. Khái quát về kháng sinh ..................................................................................................... 4 1.2.2. Phân loại kháng sinh........................................................................................................... 4 1.2.2.1. Phân loại theo phương thức tác dụng ............................................................................. 4 1.2.2.2. Phân loại theo phổ tác dụng ............................................................................................ 5 1.2.2.3. Phân loại theo cấu trúc hóa học ...................................................................................... 5 1.3. Giới thiệu về kháng sinh tetracycline ................................................................................... 6 1.3.1. Cấu trúc ............................................................................................................................... 6 1.3.2. Tính chất.............................................................................................................................. 8 1.3.3. Kháng sinh tetracycline ...................................................................................................... 9 1.4. Giới thiệu về đá ong............................................................................................................. 10 1.5. Tổng quan tình hình nghiên cứu ......................................................................................... 11 Chƣơng 2. THỰC NGHIỆM.................................................................................................. 16 2.1. Hóa chất, dụng cụ và thiết bị máy móc .............................................................................. 16 2.1.1. Hóa chất............................................................................................................................. 16 2.1.2. Dụng cụ ............................................................................................................................. 17 2.1.3. Thiết bị máy móc .............................................................................................................. 17 2.2. Nghiên cứu cơ chế hấp phụ polyme mang điện âm trên đá ong tự nhiên........................ 17 iv
2.2.1. Điều kiện xác định polystyrene sulfonate (PSS) bằng phương pháp UV-Vis ............. 17 2.2.1.1. Lựa chọn bước sóng ...................................................................................................... 17 2.2.1.2. Xây dựng đường chuẩn xác định PSS bằng phương pháp UV – Vis........................ 17 2.2.2. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ PSS của ĐOTN ...................... 18 2.2.2.1. Khảo sát sự ảnh hưởng của pH ..................................................................................... 18 2.2.2.2. Khảo sát sự ảnh hưởng của lực ion .............................................................................. 18 2.2.2.3. Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ khối lượng VLHP/ thể tích dung dịch PSS ................. 19 2.2.2.4. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc .................................................................. 19 2.2.2.5. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đầu .......................................................................... 20 2.2.3. Xác định một số đặc trưng hóa lý của ĐOTN và ĐOBT để đề xuất cơ chế hấp phụ PSS trên ĐOTN .......................................................................................................................... 21 2.2.3.1. Phương pháp chụp ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) .................................................... 21 2.2.3.2. Phương pháp đo diện tích bề mặt riêng (BET)............................................................ 21 2.2.3.3. Phương pháp quang phổ hồng ngoại FT-IR ................................................................ 21 2.2.3.4. Phương pháp đo điện thế zeta ....................................................................................... 21 2.3. Khảo sát khả năng hấp phụ TC của ĐOTN và ĐOBT ..................................................... 22 2.3.1. Điều kiện xác định TC bằng phương pháp UV-Vis....................................................... 22 2.3.1.1. Lựa chọn bước sóng ...................................................................................................... 22 2.3.1.2. Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ TC ............................................................ 22 2.3.2. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ TC của ĐOTN và ĐOBT ...... 22 2.3.2.1. Khảo sát sự ảnh hưởng của pH ..................................................................................... 22 2.3.2.2. Khảo sát sự ảnh hưởng của lực ion .............................................................................. 23 2.3.2.3. Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ khối lượng VLHP/ thể tích dung dịch TC................... 23 2.3.2.4. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc .................................................................. 24 2.3.2.5. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đầu .......................................................................... 24 2.3.2.6. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ ................................................................................. 25 2.3.2.7. Khảo sát ảnh hưởng của ion lạ...................................................................................... 26 2.4. Khảo sát sự tương tác giữa TC và PSS .............................................................................. 26 2.5. Động học quá trình hấp phụ TC trên ĐOBT ..................................................................... 27 2.6. Tái sử dụng vật liệu đá ong biến tính bằng PSS ................................................................ 28 2.6.1. Hấp phụ TC trên ĐOBT................................................................................................... 28 v
2.6.2. Tái sử dụng vật liệu lần thứ nhất...................................................................................... 28 2.6.3. Tái sử dụng vật liệu lần thứ hai........................................................................................ 28 2.6.4. Tái sử dụng vật liệu lần thứ ba ......................................................................................... 29 2.6.5. Tái sử dụng vật liệu lần thứ tư ......................................................................................... 29 2.7. Xác định một số đặc trưng hóa lý của ĐOBT sau khi hấp phụ TC.................................. 29 2.8. Xử lý mẫu nước thải ............................................................................................................ 29 Chƣơng 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ............................................... 30 3.1. Nghiên cứu cơ chế hấp phụ polyme mang điện âm trên đá ong tự nhiên........................ 30 3.1.1. Điều kiện xác định PSS bằng phương pháp UV-Vis ..................................................... 30 3.1.1.1. Lựa chọn bước sóng ...................................................................................................... 30 3.1.1.2. Xây dựng đường chuẩn xác định PSS bằng phương pháp UV – Vis........................ 30 3.1.2. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ PSS của ĐOTN ..................... 32 3.1.2.1. Khảo sát sự ảnh hưởng của pH ..................................................................................... 32 3.1.2.2. Khảo sát ảnh hưởng của lực ion ................................................................................... 34 3.1.2.3. Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ khối lượng VLHP/ thể tích dung dịch PSS ................. 36 3.1.2.4. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc .................................................................. 38 3.1.2.4. Khảo sát sự ảnh hưởng của nồng độ PSS ................................................................... 40 3.2. Đánh giá cơ chế hấp phụ PSS trên đá ong tự nhiên........................................................... 44 3.3. Khảo sát khả năng hấp phụ TC trên ĐOBT....................................................................... 48 3.3.1. Điều kiện xác định TC bằng phương pháp UV-Vis....................................................... 48 3.3.1.1. Lựa chọn bước sóng ...................................................................................................... 48 3.3.1.2. Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ TC............................................................ 48 3.3.2. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ TC của ĐOTN và ĐOBT ...... 50 3.3.2.1. Khảo sát sự ảnh hưởng của pH ..................................................................................... 50 3.3.2.2. Khảo sát sự ảnh hưởng của lực ion .............................................................................. 52 3.3.2.3. Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ khối lượng VLHP/ thể tích dung dịch TC................... 54 3.3.2.4. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc .................................................................. 56 3.3.2.5. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đầu .......................................................................... 58 3.3.2.6. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ ................................................................................. 63 3.3.2.7. Khảo sát ảnh hưởng của ion lạ...................................................................................... 65 3.4. Khảo sát sự tương tác giữa TC và PSS .............................................................................. 70 vi
3.5. Động học quá trình hấp phụ TC trên ĐOBT ..................................................................... 71 3.6. Tái sử dụng vật liệu đá ong biến tính bằng PSS ................................................................ 75 3.7. Xác định một số đặc trưng hóa lý của ĐOBT sau khi hấp phụ TC.................................. 76 3.8. Xử lý mẫu nước thải ............................................................................................................ 78 KẾT LUẬN................................................................................................................................ 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................................... 81 vii
DANH MỤC KÍ HIỆU VIẾT TẮT Tên tiếng việt Tên tiếng Anh Viết tắt Đá ong biến tính Surfactant Modified Laterite ĐOBT Đá ong tự nhiên Raw Laterite ĐOTN Đo diện tích bề mặt riêng Brunauer – Emmett – Teller BET Độ lệch chuẩn Standard Deviation SD Giới hạn định lượng Limit Of Quantity LOQ Giới hạn phát hiện Limit Of Detection LOD Kính hiển vi điện tử quét Scanning Electron Microscope SEM Natri polystyren sunfonat Sodium Polystyrene Sulfonate PSS Quang phổ hấp thụ phân tử Ultra Violet – Visible UV-Vis Quang phổ hồng ngoại biến Fourier Transform - Infrared FT-IR đổi Fourier Spectroscopy High Performance Liquid Sắc ký lỏng hiệu năng cao HPLC Chromatogram Tetracyclin Tetracycline TC Vật liệu hấp phụ Material for Adsorption VLHP viii
DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Nhóm thế của các tetracycline .................................................................................... 7 Bảng 1.2. Thành phần khoáng vật kết tinh trong đá ong tự nhiên........................................... 10 Bảng 2.1. Các hóa chất cần dùng trong thực nghiệm ............................................................... 16 Bảng 3.1. Độ hấp thụ quang của dung dịch PSS ở các nồng độ khác nhau tại bước sóng 224,4 nm ...................................................................................................................................... 31 Bảng 3.2. Độ hấp thụ quang của dung dịch PSS ở các nồng độ khác nhau tại bước sóng 261,4 nm ...................................................................................................................................... 32 Bảng 3.3. Ảnh hưởng của pH tới khả năng hấp phụ PSS trên ĐOTN.................................... 33 Bảng 3.4. Ảnh hưởng của lực ion tới khả năng hấp phụ PSS trên ĐOTN ............................. 35 Bảng 3.5. Ảnh hưởng của tỉ lệ khối lượng VLHP/ thể tích dung dịch PSS tới khả năng hấp phụ PSS trên ĐOTN ................................................................................................................... 37 Bảng 3.6. Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc tới khả năng hấp phụ PSS trên ĐOTN ............ 39 Bảng 3.7. Ảnh hưởng của nồng độ PSS tới dung lượng hấp phụ PSS trên ĐOTN trong môi trường NaCl 1 mM ..................................................................................................................... 41 Bảng 3.8. Ảnh hưởng của nồng độ PSS tới dung lượng hấp phụ PSS trên ĐOTN trong môi trường NaCl 10 mM ................................................................................................................... 42 Bảng 3.9. Ảnh hưởng của nồng độ PSS tới dung lượng hấp phụ PSS trên ĐOTN trong môi trường NaCl 50 mM ................................................................................................................... 43 Bảng 3.10. Các thông số phù hợp cho quá trình hấp phụ PSS lên đá ong .............................. 47 Bảng 3.11. Độ hấp thụ quang của dung dịch TC ở các nồng độ khác nhau tại bước sóng 277,4 nm ...................................................................................................................................... 49 Bảng 3.12. Độ hấp thụ quang của dung dịch TC ở các nồng độ khác nhau tại bước sóng 356,4 nm ...................................................................................................................................... 49 Bảng 3.13. Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ TC ...................................................... 51 Bảng 3.14. Ảnh hưởng của lực ion đến khả năng hấp phụ TC................................................ 53 Bảng 3.15. Ảnh hưởng của tỉ lệ khối lượng VLHP/ thể tích dung dịch TC đến khả năng hấp phụ TC ......................................................................................................................................... 55 Bảng 3.16. Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc đến khả năng hấp phụ TC .............................. 57 Bảng 3.17. Ảnh hưởng của nồng độ TC tới dung lượng hấp phụ TC trên VLHP trong môi trường NaCl 1 mM ..................................................................................................................... 59 ix
Bảng 3.18. Ảnh hưởng của nồng độ TC tới dung lượng hấp phụ TC trên VLHP trong môi trường NaCl 10 mM ................................................................................................................... 60 Bảng 3.19. Ảnh hưởng của nồng độ TC tới dung lượng hấp phụ TC trên VLHP trong môi trường NaCl 50 mM ................................................................................................................... 61 Bảng 3.20. Các thông số hấp phụ theo mô hình Langmuir và mô hình Frennlich................. 63 Bảng 3.21. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới khả năng hấp phụ TC của VLHP ............................ 64 Bảng 3.22. Ảnh hưởng của Al3+ tới khả năng hấp phụ TC ...................................................... 66 Bảng 3.23. Ảnh hưởng của Cu2+ tới khả năng hấp phụ TC ..................................................... 67 Bảng 3.24. Ảnh hưởng của Zn2+ tới khả năng hấp phụ TC ..................................................... 68 Bảng 3.25. Sự ảnh hưởng tương tác của TC và PSS ................................................................ 70 Bảng 3.26. Số liệu khảo sát động học hấp phụ TC (“-”: không xác định) .............................. 72 Bảng 3.27. Một số tham số động học hấp phụ bậc 1 đối với TC ............................................ 74 Bảng 3.28. Một số tham số động học hấp phụ bậc 2 đối với TC ............................................ 74 Bảng 3.29. Kết quả khảo sát khả năng tái sử dụng vật liệu...................................................... 75 x
DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Công thức cấu tạo của PSS .......................................................................................... 3 Hình 1.2. Công thức cấu tạo các kháng sinh tetracycline........................................................... 6 Hình 1.3. Công thức cấu tạo của tetracyclin ............................................................................... 9 Hình 3.1. Phổ hấp thụ PSS trong khoảng bước sóng 200 - 400 nm ........................................ 30 Hình 3.2. Đường chuẩn xác định PSS bằng phương pháp UV - Vis tại bước sóng 224,4 nm ...................................................................................................................................................... 31 Hình 3.3. Đường chuẩn xác định PSS bằng phương pháp UV - Vis tại bước sóng 261,4 nm ............................................................................................................................. 32 Hình 3.4. Sự ảnh hưởng của pH tới khả năng hấp phụ PSS trên ĐOTN ................................ 34 Hình 3.5. Sự ảnh hưởng của lực ion tới khả năng hấp phụ PSS trên ĐOTN......................... 36 Hình 3.6. Sự ảnh hưởng của tỉ lệ khối lượng VLHP/ thể tích dung dịch PSS tới khả năng hấp phụ PSS trên ĐOTN ................................................................................................................... 38 Hình 3.7. Sự ảnh hưởng của thời gian tới khả năng hấp phụ PSS trên ĐOTN ...................... 40 Hình 3.8. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir....................................................................... 44 Hình 3.9. Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb ................................................................................. 44 Hình 3.10. Ảnh SEM của ĐOTN .............................................................................................. 45 Hình 3.11. Ảnh SEM của ĐOBT .............................................................................................. 45 Hình 3.12. Đường đẳng nhiệt hấp phụ và giải hấp phụ N2 trên bề mặt ĐOTN...................... 45 Hình 3.13. Đường đẳng nhiệt hấp phụ và giải hấp phụ N2 trên bề mặt ĐOBT...................... 45 Hình 3.14. Quang phổ hồng ngoại của ĐOTN ......................................................................... 46 Hình 3.15. Quang phổ hồng ngoại của ĐOBT ......................................................................... 46 Hình 3.16. Thế ζ của ĐOTN ...................................................................................................... 47 Hình 3.17. Thế ζ của ĐOBT ...................................................................................................... 47 Hình 3.18. Phổ UV – Vis của TC trong khoảng bước sóng 200 - 400 nm ............................. 48 Hình 3.19. Đường chuẩn xác định TC bằng phương pháp UV-Vis........................................ 50 tại bước sóng 277,4 nm và 356,4 nm......................................................................................... 50 Hình 3.20. Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ TC của ĐOTN ................................... 52 Hình 3.21. Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ TC của ĐOBT ................................... 52 Hình 3.22. Ảnh hưởng của lực ion đến khả năng hấp phụ TC của ĐOTN ............................ 54 Hình 3.23. Ảnh hưởng của lực ion đến khả năng hấp phụ TC của ĐOBT............................. 54 xi
Hình 3.24. Ảnh hưởng của tỉ lệ khối lượng VLHP/ thể tích dung dịch TC đến khả năng hấp phụ TC của ĐOTN ..................................................................................................................... 56 Hình 3.25. Ảnh hưởng của tỉ lệ khối lượng VLHP/ thể tích dung dịch TC đến khả năng hấp phụ TC của ĐOBT...................................................................................................................... 56 Hình 3.26. Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ TC của ĐOTN ......................... 58 Hình 3.27. Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ TC của ĐOBT ......................... 58 Hình 3.28. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir trên ĐOTN ................................................ 62 Hình 3.29. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir trên ĐOBT ................................................ 62 Hình 3.30. Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb của TC trên ĐOTN ............................................. 62 Hình 3.31. Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb của TC trên ĐOBT ............................................. 62 Hình 3.32. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich của ĐOTN ............................................... 62 Hình 3.33. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich của ĐOBT................................................ 62 Hình 3.34. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới khả năng hấp phụ TC của ĐOTN ............................ 65 Hình 3.35. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới khả năng hấp phụ TC của ĐOBT ............................ 65 Hình 3.36. Ảnh hưởng của ion lạ tới khả năng hấp phụ TC của ĐOTN ................................ 69 Hình 3.37. Ảnh hưởng của ion lạ tới khả năng hấp phụ TC của ĐOBT................................. 69 Hình 3.38. Sự dịch chuyển bước sóng của TC khi có mặt ion kim loại.................................. 69 Hình 3.39. Sự ảnh hưởng tương tác của TC và PSS ................................................................ 71 Hình 3.40. Đồ thị biểu diễn phương trình động học bậc 1 đối với TC hấp phụ trên ĐOTN. 73 Hình 3.41. Đồ thị biểu diễn phương trình động học bậc 1 đối với TC hấp phụ trên ĐOBT . 73 Hình 3.42. Đồ thị biểu diễn phương trình động học bậc 2 đối với TC hấp phụ trên ĐOTN. 73 Hình 3.43. Đồ thị biểu diễn phương trình động học bậc 2 đối với TC hấp phụ trên ĐOBT . 73 Hình 3.44. Khả năng tái sử dụng của vật liệu ĐOBT............................................................... 75 Hình 3.45. Đường đẳng nhiệt hấp phụ và giải hấp phụ N2 trên bề mặt ĐOBT sau khi hấp phụ TC ......................................................................................................................................... 76 Hình 3.46. Phổ hồng ngoại của ĐOBT sau khi hấp phụ TC ................................................... 76 Hình 3.47. Thế ζ của ĐOBT sau khi hấp phụ TC..................................................................... 77 Hình 3.48. Khảo sát xử lý kháng sinh trong nước nuôi cá sử dụng vật liệu ĐOBT............... 78 xii
MỞ ĐẦU Nước là nguồn tài nguyên vô cùng quan trọng đối với đời sống sản xuất và sinh hoạt của con người. Hiện nay với sự phát triển của nền công nghiệp, y học, quá trình đô thị hóa và bùng nổ dân số đã làm cho nguồn nước tự nhiên ngày càng bị ô nhiễm nặng nề. Đặc biệt, cùng với sự phát triển của nền y học hiện đại, số lượng các loại thuốc kháng sinh được đưa ra thị trường ngày càng nhiều. Các loại thuốc kháng sinh có vai trò to lớn trong việc điều trị các bệnh do vi khuẩn gây ra ở người và động vật. Tuy nhiên, bên cạnh ý nghĩa tích cực đó thì các loại kháng sinh cũng gây ra những tác động tiêu cực đến môi trường sinh thái. Những chất kháng sinh này xâm nhập vào môi trường qua đường chất thải sinh hoạt của con người, động vật, do quá trình lạm dụng kháng sinh trong chăn nuôi, cũng như chất thải công nghiệp từ các nhà máy sản xuất thuốc và bệnh viện. Khi kháng sinh được giải phóng vào nước, trải qua quá trình tiếp xúc lâu dài đã tạo ra sự kháng thuốc của vi khuẩn đối với kháng sinh, điều này gây ra mối đe dọa tiềm tàng đối với sức khỏe của con người và động vật. Vì vậy, để cải thiện chất lượng nước và đảm bảo sức khỏe của con người, cần phải loại bỏ kháng sinh ra khỏi các nguồn nước. Trên thực tế đã có nhiều phương pháp được áp dụng để loại bỏ kháng sinh ra khỏi nguồn nước. Trong đó, phương pháp hấp phụ là một trong những phương pháp có nhiều ưu điểm như vật liệu sử dụng làm chất hấp phụ tương đối phong phú, chi phí thấp, hiệu quả cao, thân thiện với môi trường. Đá ong là nguồn khoáng liệu rất phổ biến ở Việt Nam và có đặc tính hấp phụ. Cho đến nay, việc nghiên cứu khả năng hấp phụ các chất kháng sinh của đá ong biến tính bằng polime hầu như chưa được đề cập. Trên cơ sở đó chúng tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu cơ chế hấp phụ polyme mang điện âm trên đá ong tự nhiên và ứng dụng để xử lý kháng sinh” Trong đề tài này chúng tôi nghiên cứu các nội dung sau: 1. Nghiên cứu cơ chế hấp phụ polyme mang điện âm (polystyrene sulfonate) trên đá ong tự nhiên. Cụ thể: - Nghiên cứu điều kiện tối ưu để biến tính đá ong tự nhiên bằng cách hấp phụ polystyrene sulfonate. 1
- Nghiên cứu một số đặc trưng của vật liệu đá ong biến tính bằng polystyrene sulfonate. - Đề xuất cơ chế hấp phụ polystyrene sulfonate trên đá ong tự nhiên. 2. Nghiên cứu khả năng hấp phụ kháng sinh tetracycline của vật liệu đá ong biến tính (có so sánh với đá ong tự nhiên). - Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ tetracycline của các vật liệu. - Nghiên cứu sự tương tác giữa tetracycline và polystyrene sulfonate. - Nghiên cứu động học hấp phụ tetracycline trên đá ong biến tính. - Nghiên cứu khả năng tái sử dụng vật liệu. - Bước đầu thăm dò xử lý môi trường. 2
NỘI DUNG Chƣơng 1. TỔNG QUAN 1.1. Giới thiệu về polyme mang điện âm Polyme mang điện tích là hợp chất mang cả tính chất của một polyme (khối lượng phân tử lớn) và cả tính chất của chất điện li (phân li trong nước). Polyme mang điện có các monome chứa các nhóm chức mang điện. Dung dịch của các polyme mang điện tích có tính dẫn điện; đồng thời dung dịch của chúng thường có độ nhớt cao giống như các polyme. Polyme mang điện tích thường được chia thành hai loại là polyme mang điện âm và polyme mang điện dương. Điện tích của polyme ảnh hưởng lớn đến khả năng hấp phụ polyme lên bề mặt vật liệu rắn. Sự hấp phụ diễn ra phức tạp hơn khi bề mặt rắn cũng mang điện. Lực tương tác ảnh hưởng đến sự hấp phụ polyme mang điện mạnh lên bề mặt có điện tích là lực hút tĩnh điện hoặc kết hợp lực hút tĩnh điện và các lực tương tác không tĩnh điện. Do tính chất hấp phụ đặc biệt của polyme mang điện trên bề mặt vật liệu rắn, nhiều polyme đã được sử dụng để biến tính bề mặt vật liệu nhằm nâng cao hiệu quả xử lý chất gây ô nhiễm môi trường. Polystyrene sulfonate (PSS) là một polyme mang điện âm, nguồn gốc từ polystyrene và được bổ sung các nhóm chức sulfonate. Polyme PSS có khối lượng riêng 0,801 g/mL (25oC), khối lượng phân tử trung bình M = 1000 kg/mol. Công thức phân tử: (C8H7NaO3S)n. Công thức cấu tạo của PSS được trình bày trong hình 1.1. Hình 1.1. Công thức cấu tạo của PSS PSS thường được sử dụng như các polyme trao đổi ion, chất keo tụ, được ứng dụng trong lĩnh vực y tế, làm sạch nước, xử lý nước thải. PSS là một polyme bền, sự phân li các monome và cấu trúc của nó không phụ thuộc vào pH và nồng độ NaCl 3
trong dung dịch. Vì PSS là một polyme mang điện tích âm, do vậy chúng tôi sử dụng PSS làm tác nhân biến tính đá ong tự nhiên thành chất hấp phụ các kháng sinh tồn tại ở dạng cation [29]. 1.2. Giới thiệu về kháng sinh 1.2.1. Khái quát về kháng sinh Kháng sinh là những chất tạo thành do chuyển hóa sinh học, có tác dụng ngăn cản sự tồn tại hoặc phát triển của vi khuẩn ở nồng độ thấp, được sản xuất bằng sinh tổng hợp hoặc tổng hợp theo mẫu các kháng sinh tự nhiên. Kháng sinh là loại chất kháng khuẩn quan trọng nhất để chống lại các bệnh nhiễm trùng do vi khuẩn và cũng được sử dụng rộng rãi trong việc điều trị và ngăn ngừa các bệnh nhiễm trùng. Tuy nhiên, hiệu quả và khả năng tiếp cận dễ dàng với thuốc kháng sinh đã dẫn đến việc lạm dụng kháng sinh. Ngày nay một số vi khuẩn đã phát triển sự đề kháng của chúng với các kháng sinh gây ra hiện tượng kháng thuốc kháng sinh. Các dữ liệu hiện có của WHO cho thấy tình trạng kháng thuốc kháng sinh đang là một vấn đề nhức nhối ở khu vực Đông Nam Á, nơi sinh sống của một phần tư dân số thế giới. Kết quả của báo cáo cho thấy mức độ cao của vi khuẩn đề kháng với loại thuốc kháng khuẩn quan trọng và được sử dụng phổ biến trong khu vực. Điều đó có nghĩa là điều trị bằng kháng sinh tiêu chuẩn không có tác dụng. Tiến sĩ Poonam Khetrapal Singh, Giám đốc WHO khu vực Đông Nam Á, đã xác định kháng thuốc là một lĩnh vực ưu tiên trong công việc của WHO tại khu vực [2], [3]. 1.2.2. Phân loại kháng sinh Thuốc kháng sinh thường được phân loại dựa trên phương thức tác dụng, phổ hoạt động hoặc cấu trúc hóa học của chúng [2]. 1.2.2.1. Phân loại theo phương thức tác dụng Nếu xếp theo phương thức tác dụng, người ta chia kháng sinh thành 2 loại: Kháng sinh có tác dụng kìm khuẩn (ức chế – bacteriostatic) như acid fusidic, acid nalidixic, clindamycin và lincomycin, erythromycin, nitrofurantoin, sulfamid, tetracyclin, trimethoprim. 4
Kháng sinh có tác dụng diệt khuẩn (bacteriocidal) như polymyxin, aminoglycosid, cephalosporin, fosfomycin, 5 – nitroimidazol, penicilin, rifampicin, vancomycin. Tuy nhiên, thực tế không có ranh giới rõ ràng cho sự phân biệt này. Vì một số kháng sinh kìm khuẩn ở nồng độ cao hơn lại có tác dụng diệt khuẩn. Điều này phụ thuộc vào chủng loại và số lượng vi khuẩn, vào giai đoạn phát triển, tốc độ phát triển của vi khuẩn, vào môi trường và nồng độ kháng sinh. 1.2.2.2. Phân loại theo phổ tác dụng Do cơ chế đặc hiệu của từng loại kháng sinh mà mỗi nhóm chỉ tác dụng trên một số chủng vi khuẩn nhất định. Giới hạn này gọi là phổ kháng khuẩn của kháng sinh. - Kháng sinh phổ hẹp (kháng sinh chọn lọc): Kháng sinh chỉ tác dụng trên 1 hoặc 1 số loài vi sinh vật nhất định. Ví dụ, isoniazid chỉ tác dụng trên Mycobacterium tuberculosis. - Kháng sinh phổ rộng: Kháng sinh có tác dụng trên nhiều loại vi khuẩn, cả vi khuẩn gram âm và vi khuẩn gram dương, ví dụ nhóm quinolone, macrolide, carbapenem. 1.2.2.3. Phân loại theo cấu trúc hóa học Nhóm Beta lactam: Gồm các kháng sinh có cấu trúc hóa học chứa vòng Beta lactam, được chia thành bốn nhóm: Penicillin, Cephalosporin, Carbapenem, Monobactam Nhóm aminoglycosid (amikacin, tobramycin, gentamycin): Các aminosid có thể là sản phẩm tự nhiên phân lập từ môi trường nuôi cấy các chủng vi sinh, cũng có thể là các kháng sinh bán tổng hợp. Các kháng sinh thuộc nhóm này bao gồm kanamycin, gentamicin, neltimicin, tobramycin, amikacin. Nhóm macrolid: Các macrolid có thể là sản phẩm tự nhiên phân lập từ môi trường nuôi cấy các chủng vi sinh, cũng có thể là các kháng sinh bán tổng hợp. Các hoạt chất thường gặp là erythromycin, clarithromycin, azithromycin. Nhóm lincosamid: Nhóm kháng sinh này bao gồm hai thuốc là lincomycin và clindamycin, trong đó lincomycin là kháng sinh tự nhiên, clindamycin là kháng sinh bán tổng hợp từ lincomycin. 5
Nhóm phenicol: Nhóm kháng sinh này bao gồm hai thuốc là cloramphenicol và thiamphenicol, trong đó cloramphenicol là kháng sinh tự nhiên, còn thiamphenicol là kháng sinh tổng hợp. Nhóm cycline: Các thuốc nhóm này gồm cả các kháng sinh tự nhiên và kháng sinh bán tổng hợp. Các thuốc thuộc nhóm bao gồm: chlortetracycline, oxytetracycline, demeclocycline, methacycline, doxycycline, minocycline. Nhóm peptid: Các kháng sinh thuộc nhóm này có cấu trúc hóa học là các peptid. Dùng trong lâm sàng hiện nay có các phân nhóm: Glycopeptid (vancomycin, teicoplanin), Polypetid (polymyxin, colistin) và Lipopeptid (daptomycin). Nhóm Quinolon: Là kháng sinh tổng hợp hoàn toàn. Thế hệ 1 là acid nalidixic, các thế hệ sau được gắn thêm fluor vào vòng nên có tên là fluoroquinolon. Nhóm Co-trimoxazol: Co-trimoxazol là dạng thuốc phối hợp giữa sulfamethoxazol với trimethoprim. Nhóm oxazolidinon: Đây là nhóm kháng sinh tổng hợp hóa học, với đại diện là linezolid. Kháng sinh nhóm 5-nitro-imidazol: các thuốc nhóm này là dẫn xuất của 5- nitro imidazol, có nguồn gốc tổng hợp hóa học. 1.3. Giới thiệu về kháng sinh tetracycline 1.3.1. Cấu trúc Nhóm kháng sinh tetracycline gồm các tetracycline thiên nhiên được chiết từ môi trường nuôi cấy streptomicin và các tetracycline bán tổng hợp xuất phát từ kháng sinh thiên nhiên. Tất cả đều là dẫn xuất octahydronaphten. Hình 1.2. Công thức cấu tạo các kháng sinh tetracycline 6
Các tetracycline khác nhau ở các nhóm thế R1, R2,…. R6. Bảng 1.1. Nhóm thế của các tetracycline Năm Tên kháng sinh R1 R2 R3 R4 R5 R6 phát hiện *Chlortetracycline -Cl -CH3 -OH -H -NH2 -H 1948 (CTC) *Oxytetracycline -H -CH3 -OH -OH -NH2 -H 1950 (OTC) *Tetracycline (TC) -H -CH3 -OH -H -NH2 -H 1953 *Demeclocycline -Cl -H -OH -H -NH2 -H 1957 *Demecycline -H -H -OH -H -NH2 -H 1957 Doxycycline (DC) -H -CH3 -H -OH -NH2 -H 1958 Methacycline -H =CH2 -OH -NH2 -H 1960 Minocycline -N(CH3)2 -H -H -H -NH2 -H 1964 Sancycline -H -H -H -H -NH2 -H 1960 Amicycline -H -H -H -H -NH2 -NH2 Terramycline -H -CH3 -OH -OH -CH3 -H 1960 Lymecycline -H -CH3 -OH -H -NHX -H 1962 Mepicycline -H -CH3 -OH -H -NHZ -H 1959 Rolicycline -H -CH3 -OH -H -NHY -H 1958 Dấu * chỉ các tetracycline thiên nhiên X = CH2–NH–CH(COOH)–(CH2)3–CH2–NH2 Các nhóm thế và cấu hình phân tử có thể làm tăng hoặc giảm hiệu lực kháng sinh. - Các yếu tố duy trì hoặc làm tăng hoạt tính: Hai vòng A/B cấu hình cis; hai hệ thống điện tử π (1 và 2) phân cách qua C12a gắn OH α là bắt buộc để duy trì hoạt tính. Nhóm –N(CH3)2 (4) liên kết α thì tetracylin mới có hoạt tính; nếu xảy ra sự epi hóa 7