Nghiên cứu hấp phụ norfloxacin trong nước bằng than sinh học điều chế từ bã cà phê

BI

---

-

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NGUYỄN TÁT THÀNH
KHOA KỸ THUẬT THỤC PHẨM VÀ MƠI TRƯỜNG

NGUYEN TAT THANH

KHỐ LUẬN TĨT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU HẤP PHỤ
NORFLOXACIN TRONG NƯỚC
BẰNG THAN SINH HỌC ĐIÈU CHÉ

TỪ BÃ CÀ PHÊ

SINH VIÊN THựCHIỆN

NGUYỄN THỊ PHƯƠNG

Tp.HCM, tháng 10 năm 2020

M


TÓM TẤT
Trong những năm gần đây, xu hướng sử dụng chất thải từ các hoạt động nông
nghiệp và công nghiệp đê tạo ra các chất hấp phụ chi phí thấp ngày càng tăng. Nhiều

loại chất hấp phụ đã được phát triển và ứng dụng thành công để loại bỏ norfloxacin

(NOR). Cà phê là một trong những thức uống phô biến nhất trên the giới. Bã cà phê
được chứng minh giàu chất hữu cơ và hàm lượng cacbon cao có thể ứng dụng điều

chế vật liệu xử lý nước ô nhiễm kháng sinh. Nghiên cứu này đề cập đến sự hấp thụ của
norfloxacin (NOR) trong nước thải bằng than sinh học có nguồn gốc từ bã cà phê.
Phân tích bằng kỉnh hiến vi điện tử (SEM) cho thấy bể mặt chất hấp phụ thô, ghồ ghề

với cấu trúc không đồng nhất, khơng đều và có độ xốp cao. Phân tích quang phổ hồng
ngoại biến đôi Fourier (FTIR) chỉ ra rằng bề mặt BC chứa nhiều nhóm chứa oxy có
tinh axit hơn như cacboxyl, phenol hydroxyl, lacton và cacbonyl. Diện tích bề mặt
Brunauer-Emmett-Teller (BET) được tỉnh toán của chất hấp phụ là 46.318 m2/g. Điều

kiện hấp phụ tối ưu tại pH = 4, nồng độ NOR — 5 mg/l, liều lượng BSCG — 1.5 g/ỉ, toe
độ lắc 200 vòng/phủt và thời gian 24 giờ. Trong các thí nghiệm, than sinh học (BSCG)

có khả năng hấp thụ NOR toi đa là 227.3 mg/g. Dữ liệu hấp phụ của BSCG phù hợp

nhất với mô hình Langmuir (R2 = 0,992). Những phát hiện này chứng minh rằng than
sinh học điều chế từ bã cà phê có thể loại bỏ NOR khỏi dung dịch nước một cách hiệu
quả, có thế giúp giảm thiêu chat thải và cung cấp nguồn BC mới đê xử lý nước thải

tồn dư kháng sinh; giúp tiết kiệm chi phí; tạo ra sán phẩm xanh thân thiện với mơi

trường và có ý nghĩa đổi với các nghiên cứu khoa học khác.


MỤC LỤC

DANH MỤC TÙ VIẾT TẮT.....................................................................................iii
DANH MỤC HÌNH..................................................................................................... iv

DANH MỤC BẢNG..................................................................................................... V
MỞ ĐẦU......................................................................................................................... 1

l. ĐẶT VÁN ĐỀ....................................................................................................1
2. MỤC TIÊU NGHIÊN cứu............................................................................... 1

3. NỘI DUNG NGHIÊN cứu.............................................................................. 1
4. PHẠM VI NGHIÊN cứu................................................................................. 2
CH ƯƠNG 1: TÓNG QUAN TÀI LIỆU............................................................... 3

1.1. TỐNG QUAN THUỐC KHÁNG SINH.................................................... 3

1.1.1. Dư lượng kháng sinh có trong nước................................................... 5
1.2. CÒNG NGHỆ LOẠI Bỏ KHÁNG SINH TRONG NƯỚC...................... 8
1.3. TÓNG QUAN VÈ CÀ PHÊ..................................................................... 10
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN cúu................................................... 12

2.1. ĐIỀU CHÉ THAN SINH HỌC................................................................ 12
2.2. CÁCH TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM........................................................ 14
2.2.1. Ảnh hưởng của pH............................................................................. 14
2.2.2. Ảnh hưởng của nồng độ NOR........................................................... 14
2.2.3. Ảnh hưởng của nồng độ BSCG......................................................... 14
2.2.4. Ảnh hưởng của nồng độ muối............................................................ 14
2.2.5. Khả năng hấp phụ NOR của BSCG theo thời gian............................ 14
2.2.6. Đắng nhiệt hấp phụ............................................................................ 15

2.3. PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH................................................................ 15

2.3.1. Đặc tính của Biochar.......................................................................... 15
2.3.2. Phương pháp phân tích NOR............................................................. 16
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN...........................................................17

3.1. Đặc tính biochar........................................................................................ 17
3.2. Ảnh hưởng của pH lên khả năng hấp phụ NOR của BSCG..................... 19
3.3. Ảnh hưởng của nồng độ NOR lên khả năng hấp phụ NOR cùa BSCG... 21
3.4. Ánh hưởng của liều lượng BSCG lên khả năng hấp phụ NOR của BSCG .22
1


3.5. Khả năng hấp phụ NOR cùa BSCG theo thời gian.................................... 23
3.6. Ành hưởng cùa muối lên khả năng hấp phụ NOR của BSCG...................23
3.7. Đẳng nhiệt hấp phụ NOR của BSCG........................................................ 24
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ..................................................................................27

1. KÉT LUẬN..................................................................................................27
2. KIẾN NGHỊ................................................................................................. 27
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................... 28

ii


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Những dược phẩm thường xuất hiện phơ biến trong mơi trường (Nikolaou
et al., 2007)..................................................................................................................... 4

Hình 1.2. Cấu trúc hóa học của NOR............................................................................. 5

Hình 2.1. Sơ đồ điều chế than sinh học.........................................................................12

Hình 2.2. Hình ảnh bã cà phê trong quá trình điều chế................................................. 13
Hình 2.4. Máy UV-VIS 1 chùm tia Dynamica Halo XB-10 / VIS-20.......................... 16
Hình 3.1. Kính hiển vi điện tử qt hình ảnh của thansinh học trước và sau hấp phụ

norfloxacin................................................................................................................... 17
Hình 3.2. FTIR trước khi hấp phụ NOR của BSCG..................................................... 18
Hình 3.3. Đồ thị mơ tả điểm điện tích bằng khơng (pHpzc) của BSCG..................... 19
Hình 3.4. Đồ thị mơ tả sự ảnh hưởng của pH lên hấp phụ NOR của BSCG.............. 20

Hình 3.5. Đồ thị mô tả sự ảnh hưởng của NOR lên khả năng hấp phụ NOR của BSCG
......................................

21

Hình 3.6. Đo thị mơ tả sự ảnh hưởng của liều lượng BSCG lên khả năng hấp phụ NOR
của BSCG..................................................................................................................... 22

Hình 3.7. Đồ thị mơ tả khả năng hấp phụ NOR của BSCG theo thời gian.................. 23

Hình 3.8. Biểu đồ thể hiện sự ảnh hưởng của muối lên sự hấp phụ NOR của BSCG ..24
Hình 3.9. Đồ thị mô tả đăng nhiệt hấp phụ theo Langmuir của BSCG........................ 24
Hình 3.10. Đồ thị mơ tả đắng nhiệt hấp phụ theo Freundlich cùa BSCG.................... 25
Hình 3.11. Đồ thị mô tả đắng nhiệt hấp phụ theo Langmuir và Freundlich cùa BSCG25

iv


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Nồng độ một số dược phẩm trong nước thải bệnh viện................................. 5
Bảng 1.2. Nồng độ các chat antibiotics dien hình trong nước thải................................ 8

Bảng 1.3. Các công nghệ loại bỏ kháng sinh trong nước............................................... 8
Bảng 1.4. Các vật liệu hấp phụ kháng sinh.................................................................... 9
Bảng 3.1. Thông số đẳng nhiệt hấp phụ....................................................................... 25
Bảng 3.2. So sánh khả năng hấp phụ của BSCG với các vật liệu hấp phụ khác.......... 26

V


MỞ ĐÀU
1. ĐẬT VẤN ĐÈ

Nước có vai trị quan trọng trong đời sống sinh hoạt cùa con người. Hiện nay

môi trường nước đang bị suy giảm nghiêm trọng, một trong những nguyên nhân gây
ô nhiễm nước là do kháng sinh. Kháng sinh là vũ khí quan trọng để chống lại các vi

khuẩn gây bệnh. Theo khảo sát, khi con người hấp thụ kháng sinh vào cơ thể thì có

hơn 90% lượng kháng sinh đào thải ra môi trường nước. Norfloxacin (NOR) là một

loại kháng sinh phổ biến trong môi trường tự nhiên thường được sử dụng đề điều trị
bệnh lý do viêm ruột. Mặc dù nồng độ NOR trong môi trường thấp nhưng có khả
năng tạo ra các gen kháng lại chất kháng sinh. Trong những năm gần đây, xu hướng
sử dụng chất thải từ các hoạt động nông nghiệp và công nghiệp để tạo ra các chất
hấp phụ chi phí thấp ngày càng tăng. Nhiều loại chất hấp phụ đã được phát triến và

ứng dụng thành công đe loại bỏ NOR.

Cà phê là thức uống phổ biến nhất trên thế giới, trung bình cứ 1 gram cà phê
thải bở 0.65 gram bã cà phê. Bã cà phê được chứng minh giàu chất hữu cơ và hàm

lượng cacbon cao có thế tái sử dụng trong nhiều nghiên cứu như: ứng dụng sản xuất

dầu diezel, ứng dụng trong xử lý ô nhiễm đất,...Tuy nhiên, rất ít nghiên cứu đề cập
đến việc ứng dụng chất hấp phụ gốc cà phê để xử lý NOR. Đổ giảm áp lực về chi

phí xử lý và ô nhiễm môi trường, các công ty cà phê đã nồ lực sử dụng các sản

phàm thay thế trong quá trình sản xuất. Do vậy, sử dụng bã cà phê để hấp phụ NOR
trong nước mang lại hiệu quả tối ưu. Vì vậy, đây là lý do em chọn đề tài nghiên cứu

“NGHIÊN CỨU HẨP PHỤ NORFLOXACIN TRONG NƯỚC BẰNG THAN

SINH HỌC ĐIỀU CHẾ TỪ BẢ CÀ PHÊ”.
2. MỤC TIÊU NGHIÊN cứu

Mục tiêu của đề tài là điều chế thành công than sinh học từ bã cà phê

(BSCG) và đánh giá hiệu quả hấp phụ norfloxacin (NOR) trong nước ở những điều
kiện khác nhau.
3. NỘI DUNG NGHIÊN cúu

-

Xác định đặc tính của BSCG.

-

Đánh giá sự ảnh hưởng cùa pH đen khả năng loại bỏ NOR của BSCG.
1

-

Đánh giá sự ảnh hưởng của liều lượng BSCG đến khả năng loại bỏ NOR của
BSCG.

-

Đánh giá sự ảnh hưởng của nồng độ NOR đến khả năng loại bỏ NOR của BSCG.

-

Đánh giá sự ảnh hưởng của nồng độ muối đến khả năng loại bỏ NOR của BSCG.

-

Xác định đắng nhiệt hấp phụ NOR của BSCG.

4. PHẠM VI NGHIÊN cứu

• Đối tượng nghiên cứu

Vật liệu hấp phụ: than sinh học từ bã cà phê
Đối tượng xử lý: norfloxacin trong nước

• Thời gian nghiên cứu

Khơng gian: Thí nghiệm được tiến hành tại phịng thí nghiệm Quan trắc

Mơi trường - Khoa Kỳ thuật Thực phàm và Môi trường - Trường Đại học

Nguyễn Tất Thành và thực hiện trên các máy móc và thiết bị có sằn.
Thời gian thực hiện: từ 1/5/2020 đén 30/09/2020

2


CHƯƠNG 1: TỎNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. TÓNG QUAN THUÓC KHÁNG SINH

Thuốc kháng sinh là nguyên tố vi lượng, được sử dụng rộng rãi để cải thiện
sức khỏe con người, động vật và sức khỏe thực vật ngăn ngừa và điều trị nhiễm
trùng gây ra do vi khuẩn gây bệnh. Thuổc kháng sinh là sản phẩm của sự đổi mới

nhanh chóng trong lĩnh vực y tế và đã thay đổi mô hình của lối sống hiện đại. Theo
Cơ quan giám sát kháng khuẩn châu Âu dự án tiêu thụ (ESAC), Hy Lạp đứng đầu

về người tiêu dùng kháng sinh giữa các nước EU.

Thuốc kháng sinh được sử dụng trên toàn cầu đề điều trị nhiễm khuẩn và bảo
vệ sức khỏe cùa cuộc sống. Nhưng trong những năm gần đây, kháng sinh đã bị lạm

dụng trên toàn thế giới và được phát hiện trong mơi trường nước. Nước có chứa
kháng sinh vi lượng gây ra mối đe dọa đến sức khỏe con người. Hơn nữa các nghiên
cứu cho thấy rằng kháng thể như vậy có thể thay đổi hệ sinh thái, gây kháng vi

khuẩn và có thể gây ung thư gan. Norfloxacin là loại điển hình của kháng
sinh. Thuốc này thuộc nhóm thuốc gọi là thuốc kháng sinh quinolone được sử dụng
rộng rãi chủ yếu ở các nước đang phát triển với mức tăng 36% từ năm 2000 và

2010. Tuy nhiên, tỷ lệ nhiễm vi khuẩn kháng thuốc đang nổi lên như một mối quan

tâm đáng kể do kết quả chi phí y tế cao hơn, thời gian nằm viện kéo dài và tăng tỷ lệ

từ vong.
Việc sử dụng kháng sinh hàng năm là ước tính là từ 100.000 đến 200.000

tấn trên toàn cầu, với hơn 25.000 tấn được sừ dụng mỗi năm ở Trung Quốc. Các

hợp chất này chỉ được chuyến hóa một phần trong sinh vật và cao tới 80-90% được
bài tiết dưới dạng hợp chất qua nước tiểu và phân trước khi thải vào môi trường

nước. Mặc dù hầu hết trong các hệ thống xử lý nước thải đô thị (WWTP), hiệu quả

loại bỏ rất khác nhau từ 10% đến 90% tùy thuộc vào tính chất hóa lý của kháng sinh
(ví dụ độ hịa tan trong nước, hệ số phân chia octanol /nước phân ly axit hằng số và

công nghệ xử lý được áp dụng). Sự xuất hiện cùa kháng sinh đã được báo động
trong môi trường nước khác nhau: nước mặt, nước ngầm, và thậm chí cả nước uống.

Dư lượng kháng sinh trong môi trường nước không chỉ là mối đe dọa trên các sinh
vật dưới nước, nhưng cũng thúc đấy sự phát triển của gen kháng vi khuấn, cuối

3


cùng có thế ảnh hưởng đến rộng hơn động lực dân số vi sinh vật trong các hệ thống

môi trường khác nhau.

Thuốc điều chình

Lipid
Bezafibrate
Genfibrozil
Clofibric acid
fenofibrate

Thuốc ức chế beta
Metoprolol
Propranolol
Nadolol
Atenolol
Sotalol
Betaxlol

Hình 1.1. Những dược phẩm thường xuất hiện phổ biến trong môi trường
(Nikolaou et al., 2007)

Norfloxacin là một loại kháng sinh có cấu trúc của nhóm carboxyl và piperaz
được chỉ định cho trường hợp nhiễm trùng do vi khuấn. Thuốc hoạt động dựa trên

cơ chế ngăn ngừa quá trình tống hợp protein của vi khuấn, khiến chúng bị tiêu diệt.

Thuốc kháng sinh Norfloxacin và các loai kháng sinh khác không được chỉ định cho
những trường hợp bị nhiễm virus (cúm cảm lạnh). Việc dùng thuốc khi khơng cần

thiết có the làm tăng nguy cơ mắc phải tác dụng phụ hoặc gây tình trạng vi khuấn

kháng kháng sinh (lờn thuốc). Norfloxacin là một loại kháng sinh có chứa nhóm
4

Tên nhóm dược phẩm

Paracetamol

Naproxen

Nồng độ (pg/1)

Quốc gia

Tài liệu tham khảo

1,3-13,1

Phan Lan

Lindqvist, 2005

178,116-211,38

UK

Kaspryrzk-Hordern et al., 2009

10,899

Tây Ban Nha

Gros et al., 2009

107.0 ±85.7

Thụy Sĩ

Kovalova, 2012

0,838-1,173

UK

Kaspryrzk-Hordern et al., 2009

15,22-16,65

Mexico

Gibson et al., 2007

3,249

Tây Ban Nha

Gros et al., 2009

4,9

Phan Lan

Lindqvist, 2005

5,6

Thụy Sĩ

Kovalova, 2012

0,069-0,260

UK

Kaspryrzk-Hordern et al., 2009

1,72-6,36

Mexico

Gibson et al., 2007

0,726

Tây Ban Nha

Gros et al., 2009

0,35

Phan Lan

Lindqvist, 2005

0,68

Mexico

Gibson et al., 2007

0,157

Tây Ban Nha

Gros et al., 2009

0,95 - 1,694

UK

Kaspryrzk-Hordern et al., 2009

0,157

Tây Ban Nha

Gros et al., 2009

0,3

USA

Brown et al., 2006

0,66-2,04

Mexico

Gibson et al., 2007

0,4-2,1

USA

Brown et al., 2006

3.476 ±4.588

Thụy Sĩ

Kovalova et al., 2012

2,9-5

USA

Brown et al., 2006

0,85 - 2

USA

Brown et al., 2006

Diclofenac

Antihyperlipidemic

Gemfibrozil

Antiepileptic
Carbamazepine

Sychomotor stimulant
Cafeine

Disinfectan
Triclosan
Antibiotic (kháng sinh)

Sulfamethoxazole
Trimethoprim
Ciprofloxacin

3-87

Hartmann et al., 1998

6


Nồng độ (pg/1)

Quốc gia

Tài liệu tham khảo

31.98 ± 14.06

Thụy Sĩ

Kovalova et al., 2012

1,1 -44

Việt Nam

Duong et ai., 2008

3,6- 101

Thụy Điên

Lindberg et al., 2004

0,7-124,5

Đức

Hartmann et al., 1999

25,5 - 34,5

USA

Brown et al., 2006

5.933 ±3.390

Thụy Sĩ

Kovalova et al., 2012

0,9-17

Việt Nam

Duong et al., 2008

44

Đức

Hartmann et al. (1999)

Lincomycin

0,3-2

USA

Brown et al., 2006

Penicillin G

0,85 - 0,52

USA

Brown et al., 2006

Tên nhóm dược phẩm

Ofloxacin

Norfloxacin

Theo nhiêu nghiên cứu, hâu hêt các PhACs ít xuât hiện trong nước mặt hay
nước thải (Brown et al., 2005). Tuy nhiên, Các nhóm kháng sinh Sulfonamide,

flouroquinolone, macrolide thường được tìm thấy thường xuyên trong nước thải

(Huang et al., 2001). Tương ứng với các nhóm trên thì sulfamethoxazone,

ciprofloxacin và azithromucin là những kháng sinh thường có nồng độ cao trong
nước thải (Huang et al., 2001). Từ đó, Huang và cộng sự đã khẳng định rằng, 3 chất

này không bị biến đối trong môi trường, khả năng tồn tại của chúng trong nước cao
nhất. Ngồi ra, nhóm flouroquinolone và teracylines phân hủy rất chậm trong môi

trường và ít bị ảnh hưởng bởi ánh sáng mặt trời như những nhóm khác. Nhưng

Teracylines bị hấp thu vào đất, trầm tích dễ dàng nhất, flouroquinolone và

macrolides thì vừa phải, nhóm sulfonalides, aminoglycoside và p-lactam thì yếu

(Huang et al., 2001).

Riêng đối với nhóm p-lactam (bao gồm cả kháng sinh penicilin,
cephalosporin carbapenems, monobactam, chất ức chế p-lactam) thì trái với thực tế

là tỷ lệ tiêu thụ cao nhất trong các loại thuốc kháng sinh (Christian et al., 2003)
nhưng chúng khơng có mặt trong môi trường nước thường xuyên và với nồng độ

phát hiện được rất thấp. Trong một nghiên cứu, p-lactam được phát hiện với nồng
độ thấp hơn pg/1 trong cả nước thải bệnh viện và nước thải đô thị (Christian et al.,

2003). Từ điều này có thể khẳng định rằng nhóm kháng sinh này có khả năng tự

phân hủy rất cao trong cơ the người hoặc trong môi trường nước.
7


Bảng 1.2. Nồng độ các chất antibiotics điển hình trong nước thải
Kháng sinh

Quốc gia

Tài liệu tham khảo

USA

Brown et al, 2006

Netherland

Kovalova et al, 2012

2.9-5.0

USA

Brown et al, 2006

0.85-2

USA

Brown et al, 2006

-

Hartmann et al., 1998

Netherland

Kovalova et al, 2012

1.1 -44

Vietnam

Duong et al, 2008

3.6-101

Sweden

Lindberg et al, 2004

0.7-124.5

Germany

Hartmann et al, 1999

25.5-34.5

USA

Brown et al, 2006

5.933 ±3.390

Sweden

Kovalova et al, 2012

0.9-17

Vietnam

Duong et al, 2008

44

Germany

Hartmann et al, 1999

Nồng độ (pg/I)

0.4-2.1

Sulfamethoxazole
3.476 ±4.588
Trimethoprim

3-87

31.98 ± 14.06

Ciprofloxacin

Ofloxacin

Norfloxacin

Lincomycin

0.3-2.0

USA

Brown et al, 2006

Penicillin G

0.85-0.52

USA

Brown et al, 2006

1.2. CƠNG NGHỆ LOẠI BỒ KHÁNG SINH TRONG NƯỚC

Hiện có rất nhiều công nghệ được nghiên cứu cho việc loại bỏ kháng sinh
(Bảng 1.3).
Bảng 1.3. Các công nghệ loại bo kháng sinh trong nước

Công nghệ xử lý

Tài liệu tham khảo

1

Phương pháp sinh học

Marcelino et al., 2017

2

Phương pháp trao đổi ion

Zhu et al., 2016

3

Phương pháp oxy hóa bậc cao

Rahmani et al., 2018

4

Phương pháp hấp phụ

Ahmed et al., 2016.

stt

8


5

Quá trình sinh học màng

Nguyen et al., 2016

6

Quá trình keo tụ

Saitoh et al., 2017

Những công nghệ này khá hiệu quả nhưng chúng vần có những hạn chế. Ví
dụ, sự trao đổi ion cần một lượng lớn hóa chất (Salvestrin and Hagare, 2009). Q
trình sinh học màng tốn kém chi phí đầu tư, vận hành và bảo trì. Quá trình keo tụ

tiêu thụ hóa chất và tạo ra bùn (Saitoh et al., 2017). Quá trình phân hủy sinh học

diễn ra trong thời gian dài. Q trình oxy hóa bậc cao u cầu hóa chất, năng lượng
và xử lý khơng chọn lọc. Việc phát trien các cơng nghệ hiệu quả, ít tốn kém hơn và
bền vừng hơn đã trở nên cần thiết. Hấp phụ đã nổi lên như một phương pháp ưu việt

vì chi phí thấp, thiết kế đơn giản và hoạt động mạnh mè. Ngồi ra, hấp phụ là một
q trình xảy ra tự nhiên, bị ảnh hưởng bởi các tính chất của vật liệu hấp phụ bao

gồm đường kính lồ rồng, độ xốp và diện tích bề mặt.

Cơng nghệ hấp phụ là một trong những phương pháp hiệu quả để xử lý các
chất gây ô nhiễm và chất hấp phụ của than hoạt tính được sừ dụng rộng rãi đe loại

bở nhiều chất ơ nhiễm, nhưng nó có nhược điểm là có chi phí cao. Do đó, các vật
liệu giá rẻ khác như than sinh học đã được đề xuất thay thế. Như một loại chất hấp

phụ cùa vật liệu carbon chi phí thấp, than sinh học rất giàu chất xốp từ quá trình
nhiệt phân dư sinh khối đã được đề xuất thay thế và chứng minh như một khả năng

loại bỏ chất thải hữu cơ (bao gồm kháng sinh) hoặc chất ô nhiễm vô cơ.
Bảng 1.4. Các vật liệu hấp phụ kháng sinh

stt

Vật liệu hấp phụ

Tài liệu tham khảo

1

Than sinh học

Yu et al., 2016; Ahmed et al., 2016a

2

Than hoạt tính

Grover et al., 2011

3

Ống nano carbon

Ahmed et al., 2015

4

Khống sét

Ahmed et al., 2015

5

Nanorods rỗng

Xie et al., 2016

9


Trong những năm gần đây, biochar có nguồn gốc sinh khối được biết đến

như một chất hấp phụ tiềm năng cho các chất ơ nhiễm trong nước vì những ưu điêm
của nó như chi phí thấp, dề mở rộng quy mô và thân thiện với môi trường (Mohan
et al., 2014; Ahsan et al., 2018; Antón-Herrero et al., 2018). Than sinh học đã được

áp dụng trên toàn thế giới đối với các chất ô nhiễm hữu cơ và vô cơ do các tính chất
đặc biệt của nó, ví dụ, độ xốp, khả năng hấp phụ cao và diện tích bề mặt lớn. Một số

nghiên cứu báo cáo khả năng hấp phụ khảng sinh tương đối cao của than sinh học

có nguồn gốc từ các phụ phẩm nông nghiệp như trấu (58,82 mg/g) (Liu et al., 2012)

và tro trấu (8,37 mg/g) (Chen et al., 2016). Ngoài ra, Oladipo et al. (2016) phát hiện
ra rằng bã cà phê đã qua sử dụng làm chất thải rắn cho thấy một loại than sinh học

đầy hứa hẹn đe hấp thụ các chất ô nhiễm trong nước.
1.3. TÓNG QUAN VỀ CÀ PHÊ

Cà phê là một trong những mặt hàng nông sản quan trọng nhất trên thế
giới. Toàn bộ sản lượng cà phê của tất cả các nước xuất khấu tính theo nghìn bao 60
kg trong năm 2018 là 169.063 tấn.

Sản xuất cà phê tạo ra nhiều sản phẩm phụ (ví dụ: bã cà phê đã qua sử dụng,
quả cà phê, vỏ cà phê, vỏ, bã cà phê, chất thải nhỏ: hạt cà phê xanh bị lồi, cây cà

phê lá khi thu hoạch) trên toàn thế giới. Trong quá trình chiết xuất đo uống từ cà
phê bột với nước nóng, một lượng lớn bã, chăng hạn như bã cà phê đã qua sử dụng

(SCG), là được sản xuất và xem xét mức tiêu thụ cà phê trên tồn thế giới, có thể
kết luận rằng tấn chất thải cà phê được tạo ra từ nhà ăn và sản xuất sinh hoạt. Một

số sản phàm phụ hoặc cặn có thể được sử dụng cho các ứng dụng khác nhau. Đe

loại bỏ thuốc nhuộm khỏi dung dịch nước có the sử dụng các giải pháp vỏ cà phê và
bã cà phê đà qua sử dụng. SCG là sản phẩm phụ từ cà phê dồi dào nhất được tạo ra
không chỉ trong thức uống cà phê pha che mà còn trong q trình sản xuất cà phê
hịa tan (gần 50% trên toàn the giới sản xuất cà phê được chế biến đe pha chế cà phê
hòa tan). Cà phê pha thường là được pha chế với cà phê Arabica hoặc hỗn hợp
Arabica / Robusta, một loại hoặc khác nguồn gốc địa lý, có sằn cho người tiêu dùng

dưới dạng đậu rang, nguyên hạt hoặc xay, hoặc thậm chí như cà phê hịa tan / hịa

tan. Do đó, thuật ngữ “bã cà phê đã qua sử dụng” bao gom nhùng từ ngành cơng

nghiệp cà phê hịa tan, cũng như những sản phẩm được sản xuất sau khi pha tại các
10


quán cà phê hoặc tại nông trại. Theo con số, 1 tấn cà phê nhân tạo ra khoảng 650 kg
SCG và khoảng 0,91 g bã cà phê đã qua sử dụng đuợc sản xuất trên 1 g cà phê xay

và khoảng 2 kg bã cà phê ướt được sản xuất cho mồi kg cà phê hịa tan được làm ra.

Vì vậy, việc tận dụng bã cà phê để chế tạo thành vật liệu cho xử lý nước là rất thiết

thực, vừa tiết kiệm chi phí xử lý chất thải vừa góp phần trong việc xử lý chất ơ
nhiễm trong nước.

11


CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN cứu
2.1. ĐIỀU CHẾ THAN SINH HỌC

Bã cà phê nguyên chất được thu gom tại một quán khu vực quận 12

Hình 2.1. Sơ đồ điều chế than sinh học

12


Quy trình điều chế than sinh học từ bã cà phê có 3 giai đoạn chính:

Xử lý sơ bộ bã cà phê thô: bã cà phê thu gom về rùa với nước sạch đến khi
nước trong. Sau đó đem sấy ở 60-70 °C để loại bỏ hơi nước đen khô đem đi hút ẩm.

Hoạt hóa bã cà phê: Nhiệt phân 500 °C trong 2 giờ đe loại bỏ các tạp chất thu
được hàm lượng cacbon. Tiếp theo, ngâm cà phê đã nung với KOH nồng độ 2M

khuấy trộn trong 5 giờ.
Xử lý cà phê sau hoạt hóa: Sau khi ngâm KOH đem cà phê rửa với nước cất
10 lần (30 phút/lần) đế ráo nước rồi đem đi sấy 60-70 °C đến khi khô; cuối cùng đem

đi hút ẩm trong 2 giờ ta thu được than sinh học.

Bã cà phê thô (chưa qua xử lý)

Bã cà phê đã sấy

Than sinh học (BSCG) thu được

Hình 2.2. Hình ảnh bã cà phê trong quá trình điều chế

13


2.2. CÁCH TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM

2.2.1. Ảnh hưởng của pH

Đánh giá ảnh hưởng cùa pH lên khả năng hấp phụ Norfloxacin của than sinh
học (BSCG). Thí nghiệm này pH dao động từ 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 được

chuẩn độ bằng NaOH và HC1. Nồng độ cùa biochar là lg/1. Nồng độ chuẩn của

Norfloxacin là 20 mg/1 khuấy trộn 200 vòng/phút trong 24 tiếng.
2.2.2. Ảnh hưởng của nồng độ NOR

Đánh giá ảnh hưởng của NOR lên khả năng hấp phụ NOR của BSCG. Thí
nghiệm này pH tối ưu bằng 4, nồng độ của BSCG lần lượt là 1 g/1. Nồng độ NOR
dao động từ 5-50 mg/1. Chuẩn độ pH bằng dung dịch NaOH và HC1 với tốc độ 200

vòng/phút trong 24 tiếng.

2.2.3. Ảnh hưởng của nồng độ BSCG

Đánh giá ảnh hưởng của BSCG lên khả năng hấp phụ NOR của BSCG. Thí

nghiệm này pH toi ưu bằng 4, nồng độ của BSCG 0.5 - 2.5g/l. Nồng độ NOR là 5

mg/1. Chuẩn độ pH bằng dung dịch NaOH và HC1 với tốc độ 200 vòng/phút trong
24 tiếng.
2.2.4. Ảnh hưởng của nồng độ muối

Đánh giá ảnh hưởng của ion lên khả năng hấp phụ NOR. Thí nghiệm này pH

tối ưu bằng 4, nồng độ cùa CaCl2 và NaCl lần lượt là: 0; 0.05; 0.1; 0.5; lg/1. Nồng
độ NOR là 5 mg/1. Chuẩn độ pH bằng dung dịch NaOH và HC1 với tốc độ 200

vòng/phút trong 24 tiếng.
2.2.5. Khả năng hấp phụ NOR của BSCG theo thời gian

Đánh giá ảnh hưởng thời gian lên khả năng hấp phụ NOR. Thí nghiệm này
pH tối ưu bằng 4, nồng độ cùa BC là 1.5g/l. Nong độ NOR là 5g/l. Chuẩn độ pH
bằng dung dịch NaOH và HC1 với tốc độ 200 vòng/phút trong khoảng thời gian 5

phút đến 24 tiếng.

14


2.2.6. Đẳng nhiệt hấp phụ

Trong nghiên cứu này, các đường đắng nhiệt hấp phụ Langmuir và

Freundlich được xác định theo công thức sau (Dhoble et al., 2011):
1
Qe

1

1

QmaxKtCe

Qmax

„ . 1,
logqe = logKp + —logCe

Trong đó:

qmax là dung lượng hấp phụ đơn lớp lớn nhất (mg/g)
qe là dung lượng hấp phụ (mg/g)

Kl là hang so Langmuir (mg/1)
ce là nồng độ cân bằng (mg/1),

Kf (mg/1) tương ứng là các hang so Freundlich.
Dung dịch chuẩn

Chất chuẩn Norfloxacin được mua ở Viện kiểm nghiệm thuốc Tp Hồ Chí

Minh.

NORFLOXACIN
QT068 060719
Bào quản:

Tránh ánh sáng
Chi dùng một lân
Hình 2.3. Chất chuẩn đối chiếu NOR 120mg

2.3. PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH

2.3.1. Đặc tính ciia Biochar

Phương pháp phân tích kính hiển vi điện tử quét (SEM).

15


ứng dụng ước lượng phân tích vật liệu và xác định đặc tính, xác định hình
thái bề mặt và kiểm tra bằng mắt. Được sử dụng để khảo sát hình thái bề mặt và cấu

trúc hoặc khảo sát bề mặt điện cực cũng như phân tích thành phần hóa học cùa bề

mặt, SEM cho ảnh bề mặt của vật rắn với độ phóng đại lên đến hàng chục nghìn lần,
là một loại kính hiển vi điện tử có thể tạo ra ảnh với độ phân giải cao của bề mặt

mẫu vật rắn bằng cách sử dụng một chùm điện tử hẹp quét trên bề mặt mầu.
Ket quả phân tích SEM được thực hiện với máy JEOL-6400 tại phòng PM 1.1

Viện Cơng nghệ Hóa học. Thế gia tốc điện tử 5kV, khoảng cách làm việc 8mm.

chân không 2* 10'4 Pa. Mầu được phù 1 lớp bạc bằng phương pháp phủ plasma.
Phương pháp phân tích quang phổ hồng ngoại (FTIR)

FTIR là kĩ thuật để phân tích hay nhận dạng vật liệu hữu cơ. Các mầu thử có
the ở dạng rắn, lỏng, hơi. Độ phân giải khơng gian xấp xỉ 50um của kính hiển vi.

Các mầu này được tác động dùng tia hồng ngoại (phi kim) đe tạo ra phố có độ dài
sóng từ 2 đến 25um. Ket quả phân tích biochar FTIR được thực hiện trên máy

Bruker Tensor 27 tại phòng PM1.2 thuộc Viện Cơng nghệ Hóa học với khoảng tần
số sóng từ 400 cm'1 đến 4000 cm'1.
Phương pháp phân tích BET

Phương pháp ứng dụng đe đo diện tích bề mặt các vật liệu theo phương pháp

một điếm hoặc đa điếm và đo các thơng số hấp thụ.
2.3.2. Phương pháp phân tích NOR

Trong nghiên cứu này, nồng độ NOR được xác định bằng máy UV-VIS ở

bước sóng 300 nm.

Hình 2.4. Máy UV-VIS 1 chùm tia Dynamica Halo XB-10 / VIS-20

16


CHƯƠNG 3: KÉT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Đặc tính biochar

Mơ tả bề mặt tính chất BSCG bằng SEM cho thấy hình đầu tiên bề mặt

BSCG thơ ráp và có nhiều lồ rồng do trải qua q trình cacbon hóa ở nhiệt độ cao,
dần đến sự ăn mòn bên trong và tăng cường sự hấp phụ carbon sinh học. ở hình thứ

2 phổ hấp phụ SEM cho thấy cấu trúc lồ rồng giảm vì bề mặt BSCG được lấp đầy

bởi các phân tử NOR, cấu trúc go ghề, xốp điều này cho thấy rằng BSCG là một
chất hấp phụ NOR tot. Nguyen et al. (2019) cũng báo cáo rằng BSCG hoạt hố
bằng KOH hoặc NaOH có the làm tăng khả năng hấp phụ chất ơ nhiễm hơn. Diện

tích bề mặt (BET) của BSCG là 46.318m2/g.

Hình 3.1. Kính hiển vi điện tử quét hình ảnh của than sinh học trước và sau hấp phụ

norfloxacin

Sự thay đối của các nhóm chức năng của than sinh học bị nhiệt phân ở các
nhiệt độ khác nhau được xác định bằng phân tích FTIR. Các đỉnh ở 3445 cm'1 được

gán cho O-H mạch thắng có nguồn gốc từ các nhóm hydroxyl. Khi nhiệt độ nhiệt
phân tăng lên 500 °C, liên kết đứt gãy cùa C-H cũng có thể tăng lên, dẫn đến cường
độ mạch C-H của các nhóm béo (2848 cm'1 và 2923 cm'1) bị giảm. Mạch không đối

xứng c = c và đối xứng c = o (1640 cm-1) của nhóm cacbonyl từ lignin, mạch Cc cùa nhóm vịng thơm (1405 cm'1) và mạch đối xứng C-O-C từ lignin,

hemicellulose và xenlulo (1096 cm'1) cũng xuất hiện trong BSCG. Mạch C-C thơm
tăng lên khi tăng nhiệt độ nhiệt phân vì xảy ra quá trình tạo thơm và mất nước (Kim

17

et al., 2013). Ket quả là, các nhóm chức năng đã phát huy vai trò quan trọng trong

sự hấp phụ của NOR.

4000

3500

3000

2000

2500

1500

1000

500

Wavenumber em’1
Hình 3.2. FTIR trước khi hấp phụ NOR của BSCG

Điểm của điện tích bằng khơng (point zezo charge - pzc) là pH mà điện tích
bề mặt thực của chất hấp phụ bằng khơng. Điểm khơng có điện tích (pHpzc) là một
thông so cho biết ảnh hưởng của pH đến chất hấp phụ đặc điểm hóa học và khả

năng hấp phụ. Neu pH dưới giá trị pHpzc, điện tích bề mặt của chất hấp phụ sẽ tích

điện dương đe có the hấp phụ các anion. Ngược lại, nếu pH cao hơn giá trị pHpzc,
điện tích bề mặt sè âm để có the hấp phụ các cation.

18


Hình 3.3. Đồ thị mơ tả điểm điện tích bằng không (pHpzc) của BSCG

Kết quả nghiên cứu này cho thấy nhừng giá trị pH nằm phía trên diem pHpzc

(như pH < 7.6) thì BSCG sè tích điện tích âm cho thấy biochar sẽ dễ dàng hấp phụ
các ion dương. Ngược lại, ở các pH nằm dưới pHpzc (pH > 7.6) thì BSCG tích điện

tích dương do đó BSCG sè dễ dàng hấp phụ các ion âm.
3.2. Ảnh hưởng của pH lên khả năng hấp phụ NOR của BSCG

Độ pH của dung dịch nước ban đầu quan trọng trong quá trình hấp phụ vì nó
ảnh hưởng đến bề mặt điện tích của BSCG và dạng hình thành của NOR. Hình 3.4
cho thấy pH tối ưu trong khoảng 4-6 cho khả năng hấp phụ tối đa.

19


70

Initial pH

Hình 3.4. Đồ thị mơ tả sự ảnh hưởng của pH lên hấp phụ NOR của BSCG

Từ kết quả trên cho thấy khả năng hấp phụ NOR diễn ra mạnh từ pH 3-6.

Trong khoảng pH này, NOR ở dạng cation (pKal = 6.22) nên dề dàng bị hấp phụ
bởi BSCG (tích điện tích âm). Xu hướng tương tự được tìm thấy trong nghiên cứu

của Lorphensri et al. (2006) và Liu et al. (2011). Khi pH càng tăng thì khả năng hấp

phụ giảm dần vì trong khoảng pH từ 6-8.5 NOR (pKal = 8.51) ở dạng lưỡng tính.
Khi pH càng tiếp tục tăng thì hiệu quả giảm và tăng nhẹ vì ở giá trị pH này BSCG

tích điện tích dương và NOR ở dạng anion. Tóm lại, với kết quả đạt được ở pH = 4

hiệu quả hấp phụ cao nhất nên được sử dụng cho các thí nghiệm tiếp theo.

20