Nghiên cứu khả năng hấp phụ vi khuẩn E.colibằng bentonite biến tính

Đồ án tốt nghiệp đại học – khoá 2 - 2011 Trường Đại học Bà Rịa – Vũng Tàu Ngành Công nghệ thực phẩm 1 Khoa Hoá học và Công nghệ thực phẩm TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA -VŨNG TÀU KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM -----

----- LÊ HỮU NGHĨA NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ VI KHUẨN E.COLI BẰNG BENTONITE BIẾN TÍNH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Ngành CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM Người hướng dẫn: ThS ĐẶNG XUÂN DỰ TP. Vũng Tàu, tháng 7 năm 2011 Đồ án tốt nghiệp đại học – khoá 2 - 2011 Trường Đại học Bà Rịa – Vũng Tàu Ngành Công nghệ thực phẩm 2 Khoa Hoá học và Công nghệ thực phẩm LỜI CẢM ƠN Với sự kính trọng và lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của thầy Đặng Xuân Dự, khoa Hóa học và Công nghệ Thực phẩm. Trong suốt thời gian thực hiện khóa luận tốt nghiệp, mặc dù rất bận rộn trong công việc nhưng thầy vẫn dành rất nhiều thời gian và tâm huyết trong việc hướng dẫn em. Thầy đã cung cấp cho em rất nhiều kiến thức về lĩnh vực mới khi em bắt đầu thực hiện khóa luận. Trong quá trình thực hiện thầy luôn định hướng, góp ý và sửa chữa cho khóa luận đạt nội dung tốt nhất. Cho đến hôm nay khóa luận tốt nghiệp đã hoàn thành cũng chính là nhờ sự nhắc nhở, đôn đốc, sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy. Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm, cũng như các thầy cô trong trường đã giảng dạy, giúp đỡ em trong suốt 4 năm học qua. Chính các thầy cô đã xây dựng cho em những kiến thức nền tảng và chuyên môn để em có thể hoàn thành khóa luận cũng như công việc sau này. Em cũng xin cảm ơn thầy quản lý phòng thí nghiệm và các bạn lớp DH07TP đã nhiệt tình giúp đỡ em trong quá trình thí nghiệm. Vì trình độ hiểu biết có hạn nên khoá luận không thể không tránh khỏi những sai sót. Kính mong quý thầy cô thông cảm và đóng góp ý kiến để khoá luận được tốt hơn. Một lần nữa em xin trân trọng cảm ơn. Vũng Tàu, ngày......tháng......năm...... Sinh viên thực hiện LÊ HỮU NGHĨA Đồ án tốt nghiệp đại học – khoá 2 - 2011 Trường Đại học Bà Rịa – Vũng Tàu Ngành Công nghệ thực phẩm 3 Khoa Hoá học và Công nghệ thực phẩm TÓM LƯỢC Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình biến tính bentonite Di Linh (đánh giá bằng khả năng hấp phụ vi khuẩn E.coli ) đã được khảo sát. Bentonite được biến tính bởi các tác nhân axit (HNO3, HCl), kiềm (NaOH) và nhiệt độ, khả năng hấp phụ tốt nhất khi biến tính tại điều kiện: nồng độ HCl là 5%, nhiệt độ là 600C, tỉ lệ rắn : lỏng là 1:3. Nghiên cứu 2 yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ vi khuẩn E.coli. Hiệu suất cao nhất đạt được khi thực hiện tại điều kiện: thời gian hấp phụ là 1 giờ, nồng độ bentonite-HCl 5% là 0,05g/ml dung dịch. ABSTRACT In the present paper, the adsorption of Di Linh bentonite modified by dilute HCl solution was investigated. The phase of modified bentonite was characterized by X-ray diffraction (XRD). The adsorption of modified bentonite was estimated by the removal of E. coli bacteria in aqueous solution. The results show that the bentionite which was modified by the HCl solution of 5% with mass ratio of solid to liquid around 1/3 at temperature of 60oC was favorite for the removal of E. coli bacteria. The optimal parameters of the adsorption is the adsorption time of 1 hour and the concentration of modified bentonite of 0.05 g/mL. Đồ án tốt nghiệp đại học – khoá 2 - 2011 Trường Đại học Bà Rịa – Vũng Tàu Ngành Công nghệ thực phẩm 4 Khoa Hoá học và Công nghệ thực phẩm MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .................................................................................................. TÓM LƯỢC..................................................................................................... MỤC LỤC ............................................................................................. ……… DANH SÁCH BẢNG ....................................................................................... DANH SÁCH HÌNH ........................................................................................ TỪ VIẾT TẮT ................................................................................................. Chương I. GIỚI THIỆU .................................................................................. 1.1. Đặt vấn đề .................................................................................................. 1.2 . Mục tiêu đề tài .......................................................................................... 1.3. Giới hạn nghiên cứư ................................................................................. 1.4. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu ................................................... 1.5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ................................................. Chương II. TỔNG QUAN VỀ TÀI LIỆU ...................................................... 2.1. Tổng quan về vật liệu bentonite và ứng dụng của nó .............................. 2.1.1. Giới thiệu về bentonite ............................................................................. 2.1.2. Các ứng dụng của bentonite ..................................................................... 2.2. Tổng quan về vi sinh vật ........................................................................... 2.2.1. Lịch sử nghiên cứu vi sinh vật học ........................................................... 2.2.2. Các đặc điểm của vi sinh vật .................................................................... 2.2.3. Vai trò của vi sinh vật ............................................................................. 2.2.4. Giới thiệu vi khuẩn Escherichia coli ........................................................ Chương III. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .................... 3.1. Phương pháp hóa lý nghiên cứu thành phần và cấu trúc bentonite ....... 3.1.1.Tinh chế bentonite .................................................................................... 3.1.2. Phương pháp phân tích thành phần các cấu tử trong bentonite.................. 3.1.3. Phân tích cấu trúc bentonite bằng nhiễu xạ tia X (XRD) .......................... 3.1.4. Phân tích thành phần nguyên tố bằng cách đo EDX ................................ 3.1.5. Phương pháp đo điện tích bề mặt và cấu trúc lớp xốp ............................... 3.2. Phương pháp hoạt hoá bentonite ............................................................. 3.2.1. Hoạt hóa bằng nhiệt ................................................................................. Đồ án tốt nghiệp đại học – khoá 2 - 2011 Trường Đại học Bà Rịa – Vũng Tàu Ngành Công nghệ thực phẩm 5 Khoa Hoá học và Công nghệ thực phẩm 3.2.2. Hoạt hóa bằng kiềm ................................................................................. 3.2.3. Hoạt hóa bằng axit vô cơ .......................................................................... 3.2.4. Phương pháp khác .................................................................................... 3.3. Cách tiến hành biến tính bentonite .......................................................... 3.3.1. Khảo sát biến tính bentonite bằng HCl ..................................................... 3.3.2. Khảo sát biến tính bentonite bằng HNO3 ................................................. 3.3.3. Khảo sát biến tính bằng kiềm và nhiệt ...................................................... 3.4. Phương pháp định lượng vi sinh vật ........................................................ 3.4.1. Xác định trực tiếp số lượng tế bào bằng buồng đếm hồng cầu .................. 3.4.2. Định lượng tế bào bằng phương pháp đo mật độ quang OD610nm .............. 3.4.3. Xác định gián tiếp số lượng tế bào bằng cách đếm số lượng các khuẩn lạc. ........ 3.5. Phương pháp đánh giá khả năng hấp phụ vi khuẩn E.coli của bentonite ...... 3.5.1. Khảo sát nồng độ bentonite ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ ................. 3.5.2. Khảo sát thời gian tiếp xúc ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ .................. Chương IV. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ..................................................... 4.1. Kết quả biến tính bentonite ...................................................................... 4.2. Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc đến khả năng hấp phụ ...................... 4.3. Ảnh hưởng của nồng độ bentonite đến hiệu suất hấp phụ ...................... Chương V. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ ........................................................... 5.1. Kết luận ..................................................................................................... 5.2. Đề nghị ....................................................................................................... TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... PHỤ LỤC ......................................................................................................... Đồ án tốt nghiệp đại học – khoá 2 - 2011 Trường Đại học Bà Rịa – Vũng Tàu Ngành Công nghệ thực phẩm 6 Khoa Hoá học và Công nghệ thực phẩm DANH SÁCH BẢNG Bảng 3.1. Kết quả phân tích bentonite Di Linh .................................................. Bảng 4.1. Ảnh hưởng của thời gian hấp phụ đến hiệu suất hấp phụ trên bentonite tinh chế .................................................................................................................. Bảng 4.2. Ảnh hưởng của thời gian hấp phụ đến hiệu suất hấp phụ trên bentonite-HCl 5% ................................................................................................................. Bảng 4.3. Ảnh hưởng của thời gian hấp phụ đến hiệu suất hấp phụ trên bentonite-HNO3 10% ....................................................................................................................... Bảng 4.4. Ảnh hưởng của thời gian hấp phụ đến hiệu suất hấp phụ trên bentonite-NaOH ................................................................................................................... Bảng 4.5. Ảnh hưởng của thời gian hấp phụ đến hiệu suất hấp phụ trên bentonite-nhiệt ...................................................................................................................... Bảng 4.6. Ảnh hưởng của nồng độ bentonite đến hiệu suất hấp phụ trên bentonite tinh chế .................................................................................................................. Bảng 4.7. Ảnh hưởng của nồng độ bentonite đến hiệu suất hấp phụ trên bentonite-HCl 5% ................................................................................................................. Bảng 4.8. Ảnh hưởng của nồng độ bentonite đến hiệu suất hấp phụ trên bentonite-HNO3 10% ....................................................................................................................... Bảng 4.9. Ảnh hưởng của nồng độ đến hiệu suất hấp phụ trên bentonite-NaOH ................................................................................................ Bảng 4.10. Ảnh hưởng của nồng độ bentonite xử đến hiệu suất hấp phụ trên bentonite-nhiệt ................................................................................................... Đồ án tốt nghiệp đại học – khoá 2 - 2011 Trường Đại học Bà Rịa – Vũng Tàu Ngành Công nghệ thực phẩm 7 Khoa Hoá học và Công nghệ thực phẩm DANH SÁCH HÌNH Hình 2.1. Mẫu quặng bentonite nguyên khai ..................................................... Hình 2.2. Công thức khai triển không gian của montmorillonite lý tưởng ......... Hình 2.3. Đơn vị cấu trúc tứ diện và đơn vị cấu trúc bát diện ............................ Hình 2.4. Sự sắp xếp “lỗ” sáu cạnh của oxy đáy trong mạng tứ diện ................. Hình 2.5. Cấu trúc mạng tứ diện và cấu trúc mạng bát diện ............................... Hình 2.6. Cấu trúc của montmorillonite ............................................................ Hình 2.7. Sự định hướng của các nhóm OH trong montmorillonite ................... Hình 2.8. Hình dạng E.coli ................................................................................ Hình 2.9. Cấu tạo tế bào vi khuẩn ..................................................................... Hình 3.1. Sơ đồ tinh chế bentonite .................................................................... Hình 3.2. Quá trình tạo tâm axit khi xử lý axit .................................................. Hình 3.3. Dụng cụ biến tính bentonite ............................................................... Hình 3.4. Cấu tạo buồng đếm hồng cầu Neubauer ............................................. Hình 4.1. Giản đồ XRD của bentonite tinh chế Hình 4.2. Giản đồ XRD của bentonite-HCl 5% ................................................. Hình 4.3. Giản đồ XRD của bentonite-HNO3 5% .............................................. Hình 4.4. Giản đồ XRD của bentonite-NaOH ................................................... Hình 4.5. Giản đồ XRD của bentonite-nhiệt ...................................................... Hình 4.6. Ảnh hưởng của thời gian hấp phụ đến hiệu suất hấp phụ trên bentonite tinh chế ............................................................................................................ Hình 4.7. Ảnh hưởng của thời gian hấp phụ đến hiệu suất hấp phụ trên bentonite-HCl 5% ................................................................................................................. Hình 4.8. Ảnh hưởng của thời gian hấp phụ đến hiệu suất hấp phụ trên bentonite-HNO3 5% .................................................................................................................. Hình 4.9. Ảnh hưởng của thời gian hấp phụ đến hiệu suất hấp phụ trên bentonite-NaOH ................................................................................................................... Hình 4.10. Ảnh hưởng của thời gian hấp phụ đến hiệu suất hấp phụ trên bentonite-nhiệt ...................................................................................................................... Hình 4.11. Ảnh hưởng của thời gian hấp phụ đến hiệu suất hấp phụ của các loại bentonite .................................................................................................................. Đồ án tốt nghiệp đại học – khoá 2 - 2011 Trường Đại học Bà Rịa – Vũng Tàu Ngành Công nghệ thực phẩm 8 Khoa Hoá học và Công nghệ thực phẩm Hình 4.12. Ảnh hưởng của nồng độ bentonite hấp phụ đến hiệu suất hấp phụ trên bentonite tinh chế ....................................................................................... Hình 4.13. Ảnh hưởng của nồng độ bentonite hấp phụ đến hiệu suất hấp phụ trên bentonite-HCl 5% ....................................................................................... Hình 4.14. Ảnh hưởng của nồng độ bentonite hấp phụ đến hiệu suất hấp phụ trên bentonite-HNO3 5% .................................................................................... Hình 4.15. Ảnh hưởng của nồng độ bentonite hấp phụ đến hiệu suất hấp phụ trên bentonite-NaOH ......................................................................................... Hình 4.16. Ảnh hưởng của nồng độ bentonite hấp phụ đến hiệu suất hấp phụ trên bentonite-nhiệt ............................................................................................ Hình 4.17. Ảnh hưởng của nồng độ bentonite hấp phụ đến hiệu suất hấp phụ trên bentonite-nhiệt ............................................................................................ Đồ án tốt nghiệp đại học – khoá 2 - 2011 Trường Đại học Bà Rịa – Vũng Tàu Ngành Công nghệ thực phẩm 9 Khoa Hoá học và Công nghệ thực phẩm TỪ VIẾT TẮT NA : Môi trường thạch dinh dưỡng (Nutrient Agar) NB : Môi trường dinh dưỡng (Nutrient Broth) EDX : Phổ tán sắc năng lượng tia X (Energy Dispersive X-ray spectroscopy) XRD : Giản đồ nhiễu xạ tia X (X-ray Diffraction) Đồ án tốt nghiệp đại học – khoá 2 - 2011 Trường Đại học Bà Rịa – Vũng Tàu Ngành Công nghệ thực phẩm 10 Khoa Hoá học và Công nghệ thực phẩm CHƯƠNG I GIỚI THIỆU 1.1 Đặt vấn đề Sau hơn 25 năm đất nước đổi mới và hội nhập với nền kinh tế thế giới, Việt Nam đã đạt được những thành tựu to lớn trong các lĩnh vực kinh tế, văn hóa, xã hội,…Đất nước ngày càng phát triển, đời sống nhân dân ngày càng được nâng cao. Song hành với quá trình phát triển cũng kéo theo gánh nặng về ô nhiễm môi trường, đặc biệt là nguồn nước. Nước thải từ các nhà máy chế biến thực phẩm, nhà máy dệt, nhà máy giấy, các khu dân cư,… được thải ra các sông, kênh rạch mà chưa qua xử lý hoặc xử lý chưa đúng mức. Đặc điểm chung của các loại nước thải này là mang một lượng lớn vi khuẩn, mầm bệnh (nhất là với nước thải y tế) sinh sôi, phát triển rồi lây nhiễm vào các sản phẩm nông nghiệp, chăn nuôi dẫn đến nguy cơ mất an toàn vệ sinh thực phẩm, gây ngộ độc, gây các bệnh truyền nhiễm nguy hiểm đến tính mạng con người. Vì vậy nước thải cần phải được xử lý trước khi phát thải vào môi trường. Đã có nhiều phương pháp được sử dụng để xử lý ô nhiễm nước, trong đó phương pháp hấp phụ đã thể hiện nhiều ưu điểm riêng: không độc hại cho người và sinh vật, đơn giản, hiệu quả,… do có thể thu hồi sản phẩm, tập trung chất thải để xử lý, hạn chế việc phát thải vào môi trường. Có nhiều vật liệu hấp phụ đã được nghiên cứu và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực đời sống như than hoạt tính, zeolite, silicagen, nhựa trao đổi ion,…Bentonite tự nhiên cũng được xem là vật liệu hấp phụ có nhiều triển vọng. Do đặc điểm về cấu trúc, tính chất hóa lý và tính chất bề mặt mà bentonite đã được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp và nhiều lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân. Vì không độc hại nên bentonite được chú ý sử dụng trong công nghiệp thực phẩm, dược phẩm và gần đây nó đã được nghiên cứu và sử dụng trong lĩnh vực xử lý nước bảo vệ môi trường. Ở nước ta, benbtonite đã được tìm thấy ở nhiều nơi: Di Linh (Lâm Đồng), Thuận Hải (Bình Thuận), Gia Quỳ (Đồng Nai),… với trữ lượng dồi dào. Vì vậy việc nghiên cứu và sử dụng nó có hiệu quả sẽ mang lại lợi ích kinh tế rất lớn. Tuy nhiên, hiện nay ở Việt Nam, bentonite được khai thác chủ yếu để pha chế dung dịch khoan và một ít được dùng trong nghiên cứu xúc tác hóa học, việc sử dụng bentonite làm vật liệu hấp phụ vi sinh vật chưa được quan tâm nghiên cứu nhiều. Đồ án tốt nghiệp đại học – khoá 2 - 2011 Trường Đại học Bà Rịa – Vũng Tàu Ngành Công nghệ thực phẩm 11 Khoa Hoá học và Công nghệ thực phẩm Xuất phát từ tình hình trên nên tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu khả năng hấp phụ vi khuẩn E.coli bằng bentonite biến tính” để làm khoá luận tốt nghiệp. 1.2. Mục tiêu của đề tài Nghiên cứu điều kiện thời gian, nồng độ axit để biến tính vật liệu bentonite và khảo sát khả năng hấp phụ vi khuẩn E.coli. 1.3. Giới hạn nghiên cứu - Tinh chế bentonite - Xác định thành phần, cấu trúc của bentonite. - Biến tính bentonite bằng dung dịch HCl, HNO3, NaOH và nhiệt độ. - Khảo sát khả năng hấp phụ vi khuẩn E.coli. 1.4. Đối tượng nghiên cứu và phương pháp nghiên cứu 1.4.1. Đối tượng nghiên cứu - Bentonite Di Linh, Lâm Đồng. - Vi khuẩn E.Coli. - HCl, HNO3, NaOH. 1.4.2. Phương pháp nghiên cứu 1.4.2.1. Nghiên cứu lý thuyết Tổng quan tài liệu về bentonite, E.coli 1.4.2.2. Nghiên cứu thực nghiệm - Tinh chế bentonite. - Khảo sát biến tính bentonite bằng axit HCl, HNO3, NaOH và nhiệt độ. - Khảo sát và so sánh khả năng hấp phụ E.Coli của từng loại bentonite. 1.5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - Cung cấp tư liệu về bentonite Di Linh. - Tìm điều kiện phù hợp cho quá trình biến tính bentonite. - Tìm hiểu khả năng hấp phụ vi sinh vật của bentonite. Đồ án tốt nghiệp đại học – khoá 2 - 2011 Trường Đại học Bà Rịa – Vũng Tàu Ngành Công nghệ thực phẩm 12 Khoa Hoá học và Công nghệ thực phẩm CHƯƠNG II TỔNG QUAN VỀ LÍ THUYẾT 2.1. Tổng quan về vật liệu bentonite và ứng dụng của nó 2