Nghiên cứu sử dụng sinh khối Spirulina platensis SP8 làm chất hấp phụ sinh học trong xử lí Ion ZN2+ ở quy mô phòng thí nghiệm - Đoàn Thị Oanh

Nghiên cu Tp chí Khoa hc Tài nguyên và Môi trng - S 20 - nm 2018 16 NGHIÊN CU S DNG SINH KHI SPIRULINA PLATENSIS SP8 LÀM CHT HP PH SINH HC TRONG X LÝ ION ZN2+ QUY MÔ PHÒNG THÍ NGHIM oàn Th Oanh, Nguyn Thu Huyn, Trn Kiu Mai Trng i hc Ti nguyên v Môi trng H Ni Tóm tt Bài báo này trình bày kt qu s dng sinh khi khô Spirulina platensis SP8 làm cht hp ph sinh hc loi b ion Zn2+ khi dung dch nc trong quy mô phòng thí nghim. Kt qu thu c cho thy hiu sut loi b Zn2+ ca vt liu rt cao t ti 96,37%. Kh nng x lý cao nht t c pH 5, 0,05 g/l BioM - SP8, nhit 35°C, nng km ban u là 100 mg/l trong thi gian tip xúc là 90 phút. Mô hình ng nhit Langmuir c s dng mô t ng hp ph ng nhit các ion km ca S. platensis SP8. Kt qu cho thy rng S. platensis SP8 là mt cht hp ph tim nng trong loi b Zn2+, vi kh nng hp ph Zn2+ ti a t n 454,54 mg/g. T khóa: Spirulina platensis; Km; Cht hp ph sinh hc. Abstract Utilization of Spirulina platensis SP8 dry biomass as biosorbent for removing of ZN2+ ions under ex situ conditions This paper presents the results of using Spirulina platensis SP8 dry biomass as biosorbent for removing Zn2+ ions from aqueous solutions under ex situ conditions. The removal eciciency reached up to 96,37% for Zn2+. The highest removing level was achieved at the conditons of pH 5 and 35°C using 0,05 g of BioM - SP8 for 100 mg/l of zinc concentration with 90 minutes of exposure time. Langmuir isothermal model was used to describe the adsorption isotherm of metal ions of S. platensis SP8. The results showed that S. platensis SP8 has great potential for Zn2+ removal, with the maximum adsorption capacity of 454,54 mg/g for Zn2+. Keywords: Spirulina platensis; Zinc; Biosorbent. 1. M u Ô nhim kim loi nng trong môi trng nc gây nh hng tiêu cc n sc khe ca con ngi v h sinh thái [1]. Nguyên t km c a vo c th ch yu qua ng tiêu hóa v c hp ph phn ln rut non. Khi vo c th, phn ln km tp trung trong t bo, ch mt lng nh trong huyt tng. Sau khi vo c th nó c thi ra ngoi vi mt lng ln qua dch rut, dch ty (2 - 5 mg), qua nc tiu (0,5 - 0,8 mg) v m hôi (0,5 mg) v ch tích t li trong mt s c quan vi hm lng tng dn theo thi gian v hm lng tip xúc [2]. Do ó, vn loi loi b các kim loi nng, c bit l km có trong nc thi trc khi x ra môi trng l vn cp thit hin nay. Có nhiu phng pháp nhm tách các ion kim loi nng ra khi môi trng nc nh: kt ta, trao i ion, hp ph, [3]. Phng pháp hp ph c quan tâm hin nay do có nhiu u im nh: Giá thnh x lý không cao, tách c ng thi nhiu loi kim loi trong dung dch, có kh nng tái s dng vt liu Nghiên cu Tp chí Khoa hc Tài nguyên và Môi trng - S 20 - nm 2018 17 hp ph v thu hi kim loi, quy trình x lý n gin, không gây ô nhim môi trng th cp sau quá trình x lý. Vt liu hp ph (VLHP) có th có ngun gc t nhiên hoc tng hp nhân to [4]. Mt s loi VLHP có ngun gc t t nhiên nh vi khun, vi nm, vi to, [5]. Kt qu mt s nghiên cu cho thy Spirulina platensis có tim nng trong vic loi b các kim loi nng trong môi trng nc [5, 6]. Chính vì vy, chúng tôi tin hnh nghiên cu s dng sinh khi khô ca Spirulina platensis SP8 lm vt liu hp ph sinh hc trong x lý các ion Zn2+. 2. Thc nghim 2.1. i tng nghiên cu - Ngun sinh khi c dùng ch to vt liu hp ph sinh hc có ngun gc t chng to Spirulina platensis SP8 c ly t Phòng Thy sinh hc môi trng, Vin Công ngh môi trng, Vin Hn lâm Khoa hc v Công ngh Vit Nam. - Nc thi gi nh cha ion Zn2+. 2.2. Hóa cht, thit b Mui dùng pha nc thi gi nh l ZnSO 4 . 7 H 2 O (hãng Merck, c). Máy o ph hp th nguyên t AAS (Thermo - Anh). 2.3. Quy trình và ni dung nghiên cu Spirulina platensis SP8 sau khi nhân ging tng sinh khi trong môi trng Zarrouk [5] c tin hnh thu sinh khi khô (cht). Sinh khi ca Spirulina platensis SP8 c x lý thnh vt liu hp ph (BioM - SP8) theo quy trình ca Al-Homaidan [6]. ánh giá kh nng hp ph Zn2+ hng lot các kho sát v nh hng ca các thông s nh: khi lng BioM - SP8 (t 0,02 n 1 g/l), thi gian tip xúc (5, 10, 15, 20, 30, 60, 90, 120, 150 v 180 phút), nhit (25, 30, 35, 40, 45, 55 v 65oC) v các giá tr pH (2 n 10 (i vi Zn2+)) khác nhau ã c thc hin. Quy trình b trí thc nghim kho sát hp ph c trình by nh Hình 1. Hình 1: Quy trình b trí thc nghim kho sát hp ph Dung dch cha kim loi nng v BioM - SP8 c a vo bình tam giác, lc trên máy lc vòng vi vn tc nht nh. Sau khong thi gian tt c các mu c lc loi b BioM - SP8. Nng Zn2+ còn li trong mu c xác nh trên máy o ph hp th nguyên t AAS (Thermo - Anh) • Dung lng hp ph c tính theo công thc: (1) Trong ó: q: l dung lng hp ph ng hp ph cân bng (mg/g); C i l nng dung dch u (mg/l); C f l nng dung dch khi t cân bng hp ph (mg/l); Nghiên cu Tp chí Khoa hc Tài nguyên và Môi trng - S 20 - nm 2018 18 V: l th tích dung dch cht b hp ph (l); m: Khi lng cht hp ph (g) • Hiu sut hp ph (H,%): (2) Kho sát các tham s ca phng trình ng nhit hp th theo mô hình ng hp ph ng nhit Langmuir • Phng trình Langmuir có dng: (3) Trong ó: q l ti trng hp ph ti thi im cân bng (mg/g); q m l ti trng hp ph cc i (mg/g); K l hng s (cân bng) hp ph Langmuir; C l nng dung dch hp ph. T giá tr K L có th xác nh c tham s cân bng R L : (4) Trong ó: 0 < R L < 1 th hin hp ph tuân theo mô hình hp ph ng nhit Langmuir. Kho sát c tin hnh di nng ion kim loi trong dung dch nh sau: 100, 120, 150, 180, 200, 250 v 300 mg/l nhit 30oC, pH = 5, thi gian tip xúc 90’, khi lng BioM - SP8 0,05 g/l. 3. Kt qu và tho lun 3.1. nh hng ca khi lng BioM - SP8 ánh giá c nh hng ca khi lng BioM - SP8, các thí nghim ã c thc hin trong các iu kin nh sau: nng Zn2+ ban u 100 mg/l, nhit 25oC, pH = 7, thi gian tip xúc 60 phút, th tích dung dch nghiên cu 250 ml, khi lng VLHP 0,05 g/l - 1,0 g/l. Kt qu nghiên cu trình by trên Hình 2. Hình 2: nh hng ca khi lng BioM - SP8 n hiu sut hp ph. Kt qu nghiên cu thu c ch ra rng hiu sut hp ph kim loi ph thuc vo khi lng BioM - SP8. Hiu sut ny gim dn khi khi lng VLHP tng. nng ln 1g/l hiu sut ch t 2,11%. Trong khi ó, nng thp nht 0,02 g/l hiu sut ny t 77,08%. nng BioM SP8 0,05 g/l cho hiu sut loi b Zn2+ cao nht 78,78%. Nu tip tc gim nng VLHP di 0,05 g/l hiu sut loi b các ion kim loi bt u gim. Trong kt qu ca mt s nghiên cu trc cng ã chng minh c rng: nng thp hn so vi nng cân bng hp ph cho kh nng loi b kim loi nhiu hn so vi nng cao hn nng cân bng [1]. S tng tác tnh in trên b mt VLHP l yu t quan trng quyt nh nh hng ca nng VLHP ti kh nng loi b kim loi nng. Khi nng VLHP cao có th gây ra mt tác dng ging nh lp v bo v các t bo ang c kích hot chim óng bi các kim loi, do s tng tác tnh in gia các im liên kt trên b mt VLHP ln. Nh vy, nng VLHP nh hng áng k kh nng loi b kim loi v trong nghiên cu ny nng VLHP 0,05 g/l c la chn cho các nghiên cu tip theo. Nghiên cu Tp chí Khoa hc Tài nguyên và Môi trng - S 20 - nm 2018 19 3.2. nh hng ca thi gian tip xúc Nhm ánh giá nh hng ca thi gian tip xúc ca BioM - SP8 n kh nng loi b các ion Zn2+ trong dung dch, các thí nghim ã c thc hin trong các iu kin nh sau: nng Zn2+ ban u 100 mg/l, nhit 25 oC, pH = 7, th tích dung dch nghiên cu 250 ml, khi lng VLHP 0,05 g/l, thi gian tip xúc l 5’, 10’, 15’, 20’, 30’, 60’, 90’, 120’, 150’, 180’. Kt qu nghiên cu trình by trên Hình 3. Hình 3: nh hng ca thi gian tip xúc ti hiu sut hp ph ca vt liu BioM - SP8 Các s liu th hin trên hình 3 cho thy khi thi gian tip xúc cng tng thì hiu qu x lý kim loi ca vt liu cng tng lên. các nghiên cu vi thi gian tip xúc l 5 phút, 10 phút, 15 phút hiu sut hp ph ca vt liu tng i thp, ch t 1,71%; 8,35%; 19,86%, tng ng. Sau ó khi tng thi gian tip xúc lên 60 phút thì hiu sut hp ph tng nhanh t ti 78,78% v t n trng thái bão hòa hp ph thi gian tip xúc l 90 phút. Ti thi im bão hòa hp ph ca VLHP, thì hiu sut loi b i vi Zn2+ t cao nht l 84,12%. Theo [7] ã ch ra rng giai on u có nhiu ch trng (tâm hp ph) cha b chim hu trên b mt VLHP nên quá trình hp ph thng din ra nhanh hn, so vi giai on sau khi m ion kim loi khó có kh nng tip xúc các ch trng còn li trên b mt VLHP hoc i sâu vo bên trong mng t bo. T kt qu ny a ra nhn nh rng, thi gian tip xúc pha ca h thng hp ph ion Zn2+/ BioM SP8 không vt quá 90 phút. 3.3. nh hng ca nhit Nhit óng vai trò quan trng trong loi b kim loi ca VLHP. Chính vì vy, nhóm tác gi ã thc hin các thí nghim trong các iu kin nh sau: nng Zn2+ ban u 100 mg/l, pH = 7, th tích dung dch nghiên cu 250 ml, khi lng VLHP 0,05 g/l, thi gian tip xúc l 90’, nhit thay i nh sau 20oC, 25oC, 30oC, 35oC, 40oC, 45oC, 50oC, 55oC, 60oC, 65oC. Kt qu nghiên cu trình by trên Hình 4. 20 30 40 50 60 70 60 70 80 90 100 H ie u s u a t x u l y ( % ) Nhiet do (oC) Hình 4: nh hng ca nhit n hiu sut hp ph ca vt liu BioM - SP8 Quan sát Hình 4 chúng tôi nhn thy rng hiu sut hp ph kim loi tng t khong nhiêt t 25 ti 30oC, sau ó hiu sut li thay i nhiu vùng nhit t 35 - 65oC. nhit 30oC hiu sut loi b kim loi t cao nht 90,06%. Nhìn chung, tt c các nhit , hiu sut loi b kim loi u trên 70% tr lên v s khác bit v hiu sut x lý không nhiu, hay s thay i v nhit có nh hng không áng k ti quá trình hp ph. Theo nghiên Nghiên cu Tp chí Khoa hc Tài nguyên và Môi trng - S 20 - nm 2018 20 cu [8] ã chng minh c rng, trong mt phm vi nht nh nhit có nh hng tích cc hay tiêu cc ti kh nng loi b kim loi. Tuy nhiên, nh hng ca nhit ti quá trình hp ph ph thuc vo tng h kim loi - VLHP. nhit 30oC, khi tn s va chm gia VLHP v các phân t kim loi tng, do ó kh nng các phân t Zn2+ trên b mt VLHP tng. Nh vy, nhit thích hp cho hp ph tt nht l 30oC. 3.4. nh hng ca pH Các thí nghim nghiên cu nh hng ca pH n kh nng x lý ion Zn2+ ca BioM - SP8 c tin hnh trong các iu kin nh sau: nng Zn2+ ban u 100 mg/l, th tích dung dch nghiên cu 250 ml, khi lng VLHP 0,05 g/l, thi gian tip xúc l 90’, nhit thay i nh sau 30oC, pH = 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10. Kt qu nghiên cu trình by trên Hình 5. Hình 5: nh hng ca pH n hiu sut hp ph ca vt liu BioM - SP8 Kt qu nghiên cu ch ra rng kh nng hp ph kim loi ca vt liu tng khi pH tng, nhng n mt giá tr no ó (tùy thuc vo loi ion) m giá tr hiu sut hp ph t trng thái cân bng. iu ó th hin khi tng pH 6,0 - 10,0 quá trình hp ph cao hn so vi khong pH 2 - 4, nhng hiu sut dn u nhau v gim nh. Giá tr pH = 5 c coi l giá tr ti u cho quá trình hp ph Zn2+ din ra nhanh nht vi hiu sut cao nht t 96,37%. iu ny l do, các ion Zn+2, c tích in dng, có ái lc cao cho in tích âm b mt sinh khi. Các nhóm cacboxyl (− COOH) l quan trng nhóm cho s hp thu kim loi bi b mt sinh khi. 3.5. Hp ph ng nhit theo mô hình Langmuir S ph thuc Ce/qe vo Ce i vi mô hình Langmuir c trình by hình 6. Hình 6: S ph thuc Ce/qe vào Ce i vi mô hình Langmuir Hình 6 cho thy mô hình hp ph ng nhit Langmuir mô t tng i chính xác s hp ph ion kim loi nng trên vt liu BioM - SP8 thông qua h s xác nh ca quá trình hi quy R² = 0,9945 i vi Zn2+. T phân tích hi quy suy ra các h s ca phng trình Langmuir nh sau: i vi Zn2+ : Ce/qe = 0,0022 Ce - 0,0134 (5) Bng 1. Giá tr tham s R L , K L ca quá trình hp ph ion kim loi Zn2+ trên BioM - SP8 các iu kin ti u Nng (mg/l) 100 120 150 180 200 250 300 R L 0,05741 0,04831 0,03902 0,03273 0,02955 0,02378 0,0199 K L 0,16418 0,16418 0,16418 0,16418 0,16418 0,16418 0,16418 Nghiên cu Tp chí Khoa hc Tài nguyên và Môi trng - S 20 - nm 2018 21 T phng trình trên ta tính c dung lng hp ph cc i v hng s hp ph K L ca Zn2+ nh trong Bng 1. Sau khi xác nh c hng s hp ph K L , xác nh quá trình hp ph ion kim loi trên chng to Spirulina platensis SP8 có phù hp vi dng hp ph n lp theo mô t ca mô hình Langmuir hay không, tham s cân bng R L c tính toán v phân tích. Tham s R L c tính da trên công thc (4) thu c kt qu th hin trong Bng 1. Giá tr R L thu c trong khong 0,0199 - 0,05741 (<1) cho thy mô hình hp ph ng nhit phù hp vi quá trình hp ph Zn2+. Da vo hình 6 ta xác nh c tan = 0,0022 xác nh c Q max : Q max = 1/ tan = 1/0.0022 = 454,54 (mg/g) 4. Kt lun Sinh khi khô ca Spirulina platensis SP8 có th s dng lm VLHP BioM - SP8 loi b Zn2+ trong môi trng nc vi hiu sut hp ph lên ti 96,37%. Dung lng hp ph t cc i các iu kin: khi lng BioM - SP8: 0,05g/l, thi gian tip xúc gia VLHP v cht b hp ph l 90 phút, pH ti u l 5, nhit ti u l 30oC. BioM - SP8 hp ph Zn2+ tuân theo mô hình hp ph ng nhit Langmuir, vi dung lng hp ph cc i l 454,54 mg/g. TÀI LIU THAM KHO [1]. Minh Th Tho, Bùi ình Nhi, m Th Thanh Hng, V ình Ng, on Th Oanh (2017). Nghiên cu kh nng hp ph ion chì và ng trên to Spirulina platensis. Tp chí phân tích Hóa, Lý v Sinh hc - Tp 22/ s 1 (c bit). [2]. Vin St rét ký sinh trùng - Côn trùng Quy Nhn (2010). Km (Zinc) và li ích ca chúng trong iu tr. [3]. Lê Vn Cát (2002). Hp ph và trao i ion trong k thut x lý nc và nc thi. Nh xut bn thng kê, H Ni. [4]. Matagi S.V., Swai D., Mugabe R., (1998). A review of heavy metal removal mechanisms in wetlands. Afr. J. Trop. Hydrobiol. Fish., 8, 23-35. [5]. Celekli A., Bozkurt H., (2011). Bio-sorption of cadmium and nickel ions using Spirulina platensis: kinetic and equilibrium studies. Desalination, 275, 141-147. [6]. Al-Homaidan A.A., (2015). Adsorptive removal of cadmium ions by Spirulina platensis dry biomass. Saudi Journal of Biological Sciences, 22, 795-800. [7]. Kumar Y.P., King P., Prasad V.S.R.K., (2006). Comparison for adsorption modeling of copper and zinc from aqueous solution by Ulva fasciata sp. J. Hazard. Mater. B, 135, 1246-1251. [8]. Khambhaty Y., Mody K., Basha S., Jha B., (2009). Biosorption of Cr (VI) onto marine Aspergillus niger: experimental studies and pseudo-second order kinetics. World J. Microbiol. Biotechnol., 25, 1413-1421. BBT nhn bi: 15/5/2018, Phn bin xong: 11/6/2018