Nghiên cứu chế tạo giấy chỉ thị màu sinh học xác định Phenol trong nước thải công nghiệp :Luận văn thạc sĩ - Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa học

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

VÕ THỊ HOÀI NGUYÊN

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO GIẤY CHỈ THỊ MÀU

SINH HỌC XÁC ĐỊNH PHENOL TRONG

NƯỚC THẢI CÔNG NGHIỆP

Chuyên ngành: KỸ THUẬT HÓA HỌC

Mã chuyên ngành: 60520301

LUẬN VĂN THẠC SĨ

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2019

Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Công nghiệp TP. Hồ Chí Minh.

Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS. NGUYỄN VĂN CƯỜNG

Người hướng dẫn khoa học 2: PGS.TS. LÊ THỊ THANH HƯƠNG

Người phản biện 1: ........................................................................................................

Người phản biện 2: ........................................................................................................

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn thạc sĩ Trường Đại

học Công nghiệp TP. Hồ Chí Minh ngày . . . . . tháng . . . . năm . . . . .

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1. ......................................................................... - Chủ tịch Hội đồng

2. ......................................................................... - Phản biện 1

3. ......................................................................... - Phản biện 2

4. ......................................................................... - Ủy viên

5. ......................................................................... - Thư ký

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA…………

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: VÕ THỊ HOÀI NGUYÊN MSHV: 17112171

Ngày, tháng, năm sinh: 21/12/1995 Nơi sinh: Thoại Sơn, An Giang

Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học Mã chuyên ngành: 60520301

I. TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu chế tạo giấy chỉ thị màu sinh học xác định phenol trong

nước thải công nghiệp.

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

 Tổng quan tài liệu về TYR, COS, nCTS;

 Chế tạo COS, nCTS;

 Chế tạo giấy CTMSH;

 Xác định các đặc trưng hình thái và cấu trúc của vật liệu bằng phương pháp: SEM,

FT-IR, GPC, XRD, DLS;

 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến việc chế tạo giấy chỉ thị màu sinh học như:

nồng độ, thể tích, số lớp của từng hóa chất phủ, nhiệt độ, thời gian ổn định cấu

trúc và các yếu tố ảnh hưởng đến điều kiện phản ứng;

 Thẩm định giá trị sử dụng của phương pháp giấy CTMSH xác định phenol trong

nước thải công nghiệp sử dụng tiêu chuẩn ISO/IEC 17025:2005;

 Ứng dụng giấy chỉ thị màu sinh học đã được chế tạo để xác định phenol trong

nước thải công nghiệp.

II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: Quyết định số 1118/QĐ-ĐHCN ngày 14 tháng 6

năm 2019 của Hiệu trưởng Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh.

III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 14/12/2019

IV. NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

Người hướng dẫn 1: PGS.TS. Nguyễn Văn Cường

Người hướng dẫn 2: PGS.TS. Lê Thị Thanh Hương

Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 20 …

NGƯỜI HƯỚNG DẪN 1 NGƯỜI HƯỚNG DẪN 2 TRƯỞNG KHOA CNHH

PGS.TS. Nguyễn Văn Cường PGS.TS. Lê Thị Thanh Hương

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

i

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, để hoàn thành được báo cáo Luận văn tốt nghiệp này, em xin gửi lời cảm

ơn chân thành đến trường Đại học Công nghiệp TP.HCM, Khoa Công nghệ Hóa học

trường Đại học Công nghiệp TP.HCM, trường Đại học Tài nguyên và Môi trường,

Viện Khoa học kỹ thuật nông nghiệp Miền Nam, đã tạo điều kiện về trang thiết bị và

cơ sở vật chất tối ưu để thực hiện đề tài.

Cảm ơn quý thầy cô giáo của khoa Công nghệ Hóa học trường Đại học Công nghiệp

TP.HCM, đã dành hết tri thức và tâm huyết để truyền đạt vốn kiến thức quý báo cho

em trong suốt khoảng thời gian học tập tại trường vừa qua. Đó thực sự là hành trang

kiến thức rất cần thiết và quan trọng trong việc áp dụng vào thực tế, đặc biệt trong

Luận văn này.

Đồng thời, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS. Nguyễn Văn Cường và

PGS.TS. Lê Thị Thanh Hương đã định hướng, chỉ đạo, tận tâm hướng dẫn và luôn

giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện đề tài cũng như hoàn thành đề tài này.

Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn chân tình đến gia đình và bạn bè đã luôn động viên,

chia sẻ và giúp đỡ em trong suốt thời gian thực hiện đề tài.

Trong quá trình làm luận văn, dưới sự hướng dẫn của giảng viên hướng dẫn em đã cố

gắng tìm hiểu, tiếp thu kiến thức, học hỏi kinh nghiệm, rèn luyện tác phong làm việc

và đã trưởng thành hơn rất nhiều. Mặc dù đã cố gắng rất nhiều trong quá trình làm

việc nhưng vẫn không tránh khỏi những thiếu sót nhất định. Vì vậy, em rất mong

nhận được sự đánh giá, đóng góp ý kiến của quý Thầy Cô trong hội đồng bảo vệ để

đề tài này được hoàn thiện hơn.

Nghiên cứu này đã được tài trợ kinh phí từ đề tài nghiên cứu khoa học và phát triển

công nghệ của Bộ Tài nguyên và Môi trường, mã số TNMT.2018.04.13, do PGS.TS.

Lê Thị Thanh Hương làm chủ nhiệm.

Em xin chân thành cảm ơn!

ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Đề tài đã nghiên cứu chế tạo thành công cảm biến màu sinh học dựa trên giấy lọc để

xác định phenol trong nước thải công nghiệp. Thành phần nhận biết sinh học là

enzyme tyrosinase đã được cố định hiệu quả bằng hai hệ ma trận các polyme sinh học

đa điện tích là nano chitosan với aginate natri và chitosan oligosaccharide với aginate

natri. Giấy chỉ thị màu sinh học được chế tạo theo nguyên tắc nhỏ từng lớp lần lượt

của nano chitosan hoặc chitosan oligosaccharide, tyrosinase, aginate natri. Màu của

giấy chỉ thị sau phản ứng được định lượng bằng camera tích hợp của smartphone và

phần mềm Image J sử dụng không gian màu RGB. Nghiên cứu cho thấy trong khoảng

0,010-2 (ppm), nồng độ phenol có quan hệ tuyến tính cao (99%) với cường độ các

màu R, G và B (đặc biệt là R và I) của giấy chỉ thị sau khi tiếp xúc với phenol. Giấy

chỉ thị màu sử dụng chitosan oligosaccharide và aginate cố định tyrosinase có LOD

= 0,0042 ppm và LOQ = 0,0139 ppm, còn với nano chitosan và aginate có các giá trị

LOD = 0,0040 ppm và LOQ = 0,0120 ppm hơi thấp nhưng với cường độ màu cao

hơn. Phương pháp xác định phenol trong nước thải công nghiệp bằng hai loại giấy

chỉ thị màu sinh học này đã được kiểm định giá trị sử dụng theo tiêu chuẩn ISO/IEC

17025:2005 và phân tích thống kê bằng phần mềm Excel sử dụng chuẩn t, chuẩn F

và phân tích ANOVA. Kết quả cho thấy phương pháp có độ chính xác đạt yêu cầu do

đó có thể áp dụng để xác định phenol trong nước thải công nghiệp. Chitosan

oligosaccharide và nano chitosan được điều chế từ chitosan thương mại được xác

định các đặc trưng hình thái, cấu trúc bề mặt (SEM), cấu trúc hóa học và độ đề acetyl

hóa (FT-IR), khối lượng phân tử và hệ số phân tán (GPC), pha và hình thái tinh thể

(XRD), kích thước hạt và phân bố kích thước hạt (DLS). Nghiên cứu cũng đã khảo

sát ảnh hưởng của các yếu tố chế tạo giấy chỉ thị màu sinh học như nồng độ, thể tích,

số lớp của từng hóa chất phủ, nhiệt độ và thời gian ổn định cấu trúc và các yếu tố ảnh

hưởng đến điều kiện phản ứng như thể tích phenol, nhiệt độ phản ứng, thời gian phản

ứng và điều kiện lưu trữ giấy chỉ thị màu sinh học.

iii

ABSTRACT

This work reported a success research the new type of paper-based colorimetric

biosensor for the colorimetric determination of phenol in industrial wastewater.

Tyrosinase was the biological component. It’s effectively immobilized by two matrix

systems of bio polyelectrolyte: nano chitosan with sodium alginate and chitosan

oligosaccharide with sodium alginate. The sensor was based on a layer-by-layer

assembly approach formed by alternately depositing layers of nano chitosan or

chitosan oligosaccharide, tyrosinase and sodium alginate onto the filter paper. The

color change could be quantified with the camera smartphone and the Image J

software uses the RGB color space. The study showed that in the range of 0,010-2

(ppm), the phenol concentration was highly linear (99%) with the intensity of colors

R, G and B (especially R and I) of the indicator after exposed to phenol. The sensor

using chitosan oligosaccharide and sodium alginate entrapping the tyrosinase enzyme

had 0,0042 ppm and LOQ = 0,0139 ppm, while nano chitosan and alginate had LOD

= 0,0040 ppm and LOQ = 0,0120 ppm slightly lower but with higher color intensity.

The method of determining phenol in industrial wastewater using these two types of

bio-color indicator paper had been validated using ISO / IEC 17025 : 2005 and

statistical analysis by Excel software using standard t, standard F and ANOVA

analysis. The result shows that the method had satisfactory accuracy so it can be

applied to determine phenol in industrial wastewater. Chitosan oligosaccharide and

nano chitosan prepared from chitosan were determined the surface structure (SEM),

chemical structure and deacetylation (FT-IR), molecular weight and system,

dispersion number (GPC), phase and crystal morphology (XRD), particle size and

particle size distribution (DLS). This study also checked out the effects of made

biological color indicator paper such as concentration, volume, number of layers of

each coating chemical, temperature and time of structural stability and influencing

factors to reaction conditions such as phenol volume, reaction temperature, reaction

time and storage conditions for biological color indicator paper.

iv

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tôi. Các kết quả nghiên

cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn

nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được

thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định.

Học viên

Võ Thị Hoài Nguyên

v

MỤC LỤC

MỤC LỤC ....................................................................................................................v

DANH MỤC HÌNH ẢNH........................................................................................ viii

DANH MỤC BẢNG BIỂU..........................................................................................x

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT..................................................................................... xi

MỞ ĐẦU ......................................................................................................................1

1. Đặt vấn đề .......................................................................................................1

2. Mục tiêu nghiên cứu .......................................................................................1

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu..................................................................2

4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu ....................................................2

5. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài............................................................................2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU..............................3

1.1 Tổng quan về phenol ......................................................................................3

1.1.1 Giới thiệu chung về phenol.............................................................................3

1.1.2 Tính chất hóa học của phenol .........................................................................4

1.1.3 Sản xuất và sử dụng phenol ............................................................................6

1.1.4 Độc tính của phenol và tình hình ô nhiễm phenol..........................................7

1.2 Giới thiệu về tyrosinase ................................................................................11

1.3 Chitosan và nano chitosan ............................................................................13

1.3.1 Chitosan.........................................................................................................13

1.3.2 Nano chitosan................................................................................................14

1.4 Màu sắc và phương pháp định lượng màu sắc.............................................15

1.4.1 Ánh sáng và màu sắc.....................................................................................15

1.4.2 Thuộc tính màu sắc .......................................................................................16

1.4.3 Không gian màu ............................................................................................16

1.4.4 Các phương pháp định lượng màu sắc .........................................................17

1.4.5 Giới thiệu cảm biến sinh học ........................................................................19

1.5 Tổng quan các phương pháp xác định phenol .............................................22

1.5.1 Phương pháp sắc kí .......................................................................................22

vi

1.5.2 Phương pháp trắc quang................................................................................23

1.5.3 Phương pháp cảm biến sinh học ...................................................................24

1.5.4 Phương pháp chỉ thị màu sinh học dựa trên giấy .........................................25

1.6 Xu hướng sử dụng thiết bị IT phổ biến trong phân tích hóa học hiện đại của

phương pháp so màu.....................................................................................26

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM ............................................................................28

2.1 Hóa chất, dụng cụ và thiết bị........................................................................28

2.2 Chuẩn bị dung dịch chuẩn ............................................................................29

2.3 Pha dung dịch làm việc.................................................................................30

2.4 Phương pháp nghiên cứu ..............................................................................32

2.4.1 Điều chế nano chitosan .................................................................................32

2.4.2 Chế tạo hộp đo màu và lựa chọn phần mềm định lượng màu sắc................35

2.4.3 Chế tạo giấy CTMSH....................................................................................36

2.4.4 Khảo sát màu sắc của từng lớp hóa chất trên bề mặt giấy lọc .....................37

2.4.5 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng quá trình chế tạo và điều kiện phản ứng của

giấy CTMSH.................................................................................................38

2.4.6 Khảo sát các tính chất đặc trưng của giấy nguyên liệu và giấy CTMSH ....43

2.4.7 Xác nhận giá trị sử dụng của phương pháp ..................................................44

2.4.8 Phân tích mẫu................................................................................................46

2.4.9 Phương pháp lấy mẫu....................................................................................46

2.4.10 Xử lý mẫu .....................................................................................................47

2.4.11 Tính toán nồng độ phenol bằng phương pháp giấy CTMSH.......................47

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ .......................................................................................48

3.1 Kết quả phân tích đặc trưng của COS và nCTS đã được điều chế ..............48

3.1.1 Phân tích sắc kí gel thấm qua (GPC)............................................................48

3.1.2 Phân tích kích thước hạt (DLS) ....................................................................49

3.1.3 Phân tích hình thái và cấu trúc bề mặt (FE-SEM)........................................49

3.1.4 Phân tích cấu trúc hóa học (FT-IR) ..............................................................51

3.1.5 Phân tích trạng thái pha và tinh thể (XRD) ..................................................52

3.2 Kết quả khảo sát màu của đơn lớp hóa chất trên bề mặt giấy .....................52

vii

3.3 Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chế tạo và điều kiện

phản ứng của giấy CTMSH..........................................................................54

3.3.1 Kết quả ảnh hưởng của chất mang COS và nCTS .......................................54

3.3.2 Kết quả ảnh hưởng của TYR ........................................................................56

3.3.3 Kết quả ảnh hưởng của ALG ........................................................................57

3.3.4 Kết quả ảnh hưởng của COS và nCTS phủ bề mặt ......................................58

3.3.5 Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chế tạo và điều kiện

phản ứng của giấy CTMSH..........................................................................60

3.3.6 Kết quả khảo sát thời gian và nhiệt độ lưu trữ của giấy CTMSH................63

3.4 Các tính chất đặc trưng của giấy lọc nguyên liệu và giấy CTMSH ............64

3.4.1 Hàm lượng tro của giấy lọc...........................................................................64

3.4.2 Phân tích cấu trúc hóa học (FT-IR) ..............................................................64

3.4.3 Hình thái và cấu trúc bề mặt (SEM).............................................................65

3.5 Thẩm định phương pháp xác định phenol bằng giấy CTMSH....................67

3.5.1 LOD và LOQ.................................................................................................67

3.5.2 Khoảng tuyến tính và phương trình đường chuẩn........................................68

3.5.3 Độ lặp ............................................................................................................74

3.5.4 Độ đúng .........................................................................................................75

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ....................................................................................81

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA HỌC VIÊN.............................83

TÀI LIỆU THAM KHẢO..........................................................................................84

PHỤ LỤC ...................................................................................................................89

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG CỦA HỌC VIÊN........................................................124

viii

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Quy trình tạo nCTS bằng phương pháp tạo gel ion....................................15

Hình 1.2 Trái: Tiết diện mắt người. Phải: Tiết diện võng mạc. ................................16

Hình 1.3 Mô hình màu RGB và CMYK....................................................................17

Hình 1.4 Mô phỏng thiết bị máy đo kích thích 3 thành phần....................................18

Hình 1.5 Các thành phần cấu tạo của cảm biến sinh học ..........................................19

Hình 1.6 Các phương pháp cố định enzyme lên chất mang ......................................20

Hình 1.7 Một số cảm biến sinh học đã được thương mại hóa...................................22

Hình 1.8 Chế tạo giấy chỉ thị màu chứa các hợp chất sắt xác định BPA..................27

Hình 2.1 Sơ đồ nghiên cứu.........................................................................................32

Hình 2.2 Sơ đồ quy trình điều chế COS ....................................................................33

Hình 2.3 Sơ đồ quy trình điều chế nCTS...................................................................34

Hình 2.4 Hộp đo màu và phần mềm ImageJ..............................................................36

Hình 2.5 Tạo ranh giới kỵ nước cho vùng phản ứng.................................................36

Hình 3.1 Kết quả phân tích GPC................................................................................48

Hình 3.2 Kết quả phân tích DLS của nCTS...............................................................49

Hình 3.3 FE-SEM của CTS ở độ phóng đại 500μm (A) và 50μm (B)......................50

Hình 3.4 FE-SEM của COS ở độ phóng đại 500μm (A) và 50μm (B) .....................50

Hình 3.5 FE-SEM của nCTS ở độ phóng đại 1μm (A) và 400nm (B)......................50

Hình 3.6 Phổ FT-IR của CTS, COS và nCTS ...........................................................51

Hình 3.7 Giản đồ nhiễu xạ tia X của CTS, COS và nCTS ........................................52

Hình 3.8 Sự thay đổi màu R của đơn lớp hóa chất với giấy CTMSH Cell_COS (A)

và Cell_nCTS (B) .......................................................................................53

Hình 3.9 Sự thay đổi màu G của đơn lớp hóa chất với giấy CTMSH Cell_COS (A)

và Cell_nCTS (B) .......................................................................................53

Hình 3.10 Sự thay đổi màu B của đơn lớp hóa chất với giấy CTMSH Cell_COS (A)

và Cell_nCTS (B) .......................................................................................54

Hình 3.11 Ảnh hưởng của thể tích chất mang ...........................................................55

Hình 3.12 Ảnh hưởng của nồng độ chất mang ..........................................................55

Hình 3.13 Ảnh hưởng của số lớp chất mang .............................................................55

ix

Hình 3.14 Ảnh hưởng của thể tích TYR....................................................................56

Hình 3.15 Ảnh hưởng của nồng độ TYR...................................................................56

Hình 3.16 Ảnh hưởng của số lớp TYR......................................................................57

Hình 3.17 Ảnh hưởng của thể tích ALG....................................................................57

Hình 3.18 Ảnh hưởng của nồng độ ALG...................................................................58

Hình 3.19 Ảnh hưởng của số lớp ALG......................................................................58

Hình 3.20 Ảnh hưởng của thể tích chất phủ bề mặt trên bề mặt giấy lọc .................59

Hình 3.21 Ảnh hưởng của nồng độ chất phủ bề mặt trên bề mặt giấy lọc................59

Hình 3.22 Ảnh hưởng của số lớp chất phủ bề mặt trên bề mặt giấy lọc ...................59

Hình 3.23 Ảnh hưởng của nhiệt độ chế tạo và nhiệt độ phản ứng của Cell_COS....60

Hình 3.24 Ảnh hưởng của nhiệt độ chế tạo và nhiệt độ phản ứng của Cell_nCTS ..60

Hình 3.25 Ảnh hưởng của thời gian chế tạo ..............................................................61

Hình 3.26 Ảnh hưởng của thể tích Phenol.................................................................62

Hình 3.27 Ảnh hưởng của thời gian phản ứng ..........................................................62

Hình 3.28 Thời gian lưu mẫu giấy CTMSH ở 25°C .................................................63

Hình 3.29 Thời gian lưu mẫu giấy CTMSH ở 4°C ...................................................63

Hình 3.30 Phổ FT-IR của giấy lọc Whatman No.1, giấy sắc ký, Cell_COS và

Cell_nCTS...................................................................................................64

Hình 3.31 FE-SEM của giấy lọc Whatman No.1 (A) và Cell_COS (B)...................66

Hình 3.32 FE-SEM của giấy sắc ký (A) và Cell_nCTS (B)......................................66

Hình 3.33 Khoảng tuyến tính và phương trình hồi quy của Cell_COS ....................71

Hình 3.34 Khoảng tuyến tính và phương trình hồi quy của Cell_nCTS...................73

x

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Khảo sát ảnh hưởng của COS và nCTS .....................................................39

Bảng 2.2 Khảo sát ảnh hưởng của TYR ....................................................................40

Bảng 2.3 Khảo sát ảnh hưởng của ALG ....................................................................41

Bảng 2.4 Khảo sát ảnh hưởng của COS và nCTS phủ bề mặt ..................................42

Bảng 2.5 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ ổn định và nhiệt độ phản ứng...............43

Bảng 3.1 Giá trị phân tử lượng trung bình của CTS, COS và nCTS ........................48

Bảng 3.2 Các nhóm chức đặc trưng trên phổ FT-IR của Cell_COS và Cell_nCTS.65

Bảng 3.3 Kết quả xác định LOD và LOQ của phương pháp Cell_COS và

Cell_nCTS...................................................................................................67

Bảng 3.4 Kết quả khảo sát khoảng tuyến tính và phương trình hồi quy tuyến tính..69

Bảng 3.5 Kết quả khảo sát độ lặp của phương pháp Cell_COS và Cell_nCTS........74

Bảng 3.6 Kết quả khảo sát hiệu suất thu hồi của phương pháp Cell_COS và

Cell_nCTS...................................................................................................75

Bảng 3.7 Kết quả phân tích nồng độ phenol trong mẫu đối chứng bằng phương pháp

Cell_COS, Cell_nCTS và Prussian blue ....................................................76