luận văn kỹ thuật môi trường Nghiên cứu quá trình phân hủy thuốc kháng sinh Chloramphenicol bằng quang hóa (UV)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘITRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊNKHOA MÔI TRƯỜNG ************* NGUYỄN THỊ THANH PHƯƠNG NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY THUỐC KHÁNG SINH CHLORAMPHENICOL BẰNG QUANG HÓA

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘITRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

KHOA MÔI TRƯỜNG

*************

NGUYỄN THỊ THANH PHƯƠNG

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY THUỐC KHÁNG SINH CHLORAMPHENICOL BẰNG

QUANG HÓA (UV)

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP HỆ ĐẠI HỌC CHÍNH QUY

Ngành: Công nghệ môi trường

PGS.TS NGUYỄN THỊ HÀ

Hà Nội - 2011

LỜI CẢM ƠN

Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Thị Hà– Khoa Môi Trường và T.S Nguyễn Quang Trung – Viện Công Nghệ Môi TrườngViệt Nam đã tận tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi để em hoàn thànhbài khóa luận này

Em cũng xin trân trọng cảm ơn Ban lãnh đạo Viện Công nghệ Môi Trường –Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã cho phép em được đến và thực tập tạiviện Em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Thị Phương Thảo và cỏc cụ chỳcán bộ, anh chị Phòng Phân tích chất lượng môi trường, đặc biệt nhóm nghiên cứu

đề tài về hợp chất hóa dược và phản ứng quang hóa đó luụn chỉ bảo, cộng tác vàgiúp đỡ em trong toàn bộ quá trình thực hiện khóa luận

Qua đây, em cũng xin trân trọng cảm ơn các thầy giáo, cô giáo và các cán bộKhoa Môi Trường, Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên, Đại học Quốc Gia – HàNội đã truyền đạt thêm nhiều kiến thức và kinh nghiệm quý báu cho em trong thờigian học tập

Em xin chân thành cảm ơn

Hà Nội, ngày 25 tháng 05 năm 2011

Sinh viên

Nguyễn Thị Thanh Phương

MỘT SỐ KÍ HIỆU, THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

Cơ quan đánh giá chất lượng

thuốc châu ÂuHợp chất hữu cơ

Liên minh Châu Âu

Metanol

Phương pháp sắc ký lỏng hiệu

năng cao

Phương pháp oxy hóa cấp tiến

Tổng cacbon hữu cơ

Viện khoa học và tiêu chuẩn kỹ

thuật Hoa Kỳ

Vùng ánh sáng tử ngoại

Molecule formulaChloramphenicol

European Agency for the Evaluation ofMedicinalOrganic compoundEuropean Union

Methanol

High PerformanceLiquidChromatography

Total Organic carbon

National Institute of Standards and Technology

Ultraviolet

CTPTCAP

EMEA

HCHCEU

M C L C ỤC LỤC ỤC LỤC

1.1 Giới thiệu chung về CAP 2

1.2 Ô nhiễm môi trường nước do dư lượng CAP 3

1.3 Một số nghiên cứu về quá trình phân hủy CAP 6

1.4 Giới thiệu về phản ứng quang hóa 7

2.1 Đối tượng nghiên cứu 9

2.2 Phương pháp nghiên cứu 9

2.3 Nội dung nghiên cứu 15

2.3.1 Nghiên cứu quá trình phân hủy quang hóa CAP bằng UV 15

3.1 Khảo sát đặc tính phân hủy CAP bằng UV 17

3.2 Khảo sát động học phản ứng phân huỷ quang hoá CAP 18

3.3 Ảnh hưởng của nồng độ H 2 O 2 đến sự phân hủy CAP 22

3.4 Xác định các sản phẩm phụ của quá trình phân hủy CAP 25

3.5 Đánh giá khả năng phân huỷ hoàn toàn CAP bằng UV 33

KẾT LUẬN 35

KIẾN NGHỊ37

DANH MỤC HèNH

Hình 2: Phổ phát xạ của đèn Vilber-Lourmart T-6L 10

Hình 3: Mô tả hệ phản ứng quang hoá CAP 11

Hình 5 : Đồ thị minh họa cách tính V 015

Hình 6 Phổ hấp thụ UV-VIS của CAP được chồng lên phổ hấp thụ của đèn UV

T-6L 17

Hình 7 Nồng độ CAP giảm theo thời gian 18

Hình 8 Hiệu quả phân huỷ CAP với các nồng độ ban đầu khác nhau 18 Hình 9 Động học phản ứng phân huỷ CAP theo thời gian với các nồng độ

Hình 10 Tương quan giữa hằng số k khả kiến và nồng độ CAP ban đầu

Hình 13 Hiệu quả phân hủy CAP có mặt H 2 O 2 không đèn UV 22

Hình 14 Hiệu quả phân hủy CAP bằng H 2 O 2 /UV với các nồng độ H 2 O 2 khác

Hình 15 Động học phản ứng phân huỷ CAP bằng H 2 O 2 /UV 23

Hình 16 Sự biến thiên hệ số k app theo sự thay đổi nồng độ H 2 O 2 /UV 24

Hình 17 Sắc đồ của CAP tại 0 giờ đo bằng HPLC/UV và LC/MS/MS

Hình 22 Sắc đồ phổ khối (negative) của CAP với m/z từ 50 đến 400 27

Hình 23 Giả thiết proton của CAP bị mất đi 28

Hình 25 Phổ UV của mảnh P1 29

MỞ ĐẦU

Trong môi trường, các chất ô nhiễm hữu cơ dù với những lượng nhỏ (dạngvết, hàm lượng cỡ vài microgam) cũng có thể gây ảnh hưởng đến sức khỏe conngười và hệ sinh thái Chính vì vậy, đã có nhiều công trình nghiên cứu xử lý triệt để

dư lượng các chất độc hại này Các công nghệ này gồm có cả những công nghệ rẻtiền, thô sơ (như lọc cát, keo tụ, kết tủa ) và cả những công nghệ đắt tiền, hiện đại(như oxy hoá tiên tiến, công nghệ màng ) Tuy nhiên các nghiên cứu về quá trình

tự làm sạch lại rất ít được quan tâm

Các chất ô nhiễm hữu cơ tồn tại trong môi trường nước có thể bị phân hủybởi nhiều quá trình khác nhau Đặc biệt quá trình phân hủy dưới tác động của ánhsáng mặt trời, mà cơ bản là tia cực tím (UV) rất đáng quan tâm Trong phổ mặt trời,5-10% bức xạ thuộc về vùng tia cực tím (UV), trong khi đó tổng năng lượng mặttrời ngày nắng trung bình ở mức 5kWh/m2 thì đây là nguồn năng lượng lớn và gầnnhư vô tận

Khóa luận đề xuất hướng nghiên cứu thử nghiệm trên thuốc kháng sinhChloramphenicol (CAP) Do cú cỏc đặc tính kháng khuẩn nên CAP thường được sửdụng để chữa bệnh cho tôm CAP còn được sử dụng trực tiếp để bảo quản nguyênliệu trờn cỏc tàu cá và tại các cơ sở thu mua Do đó, dư lượng CAP trong môitrường nước là rất đáng kể Tuy loại thuốc này đã bị cấm sử dụng, song đến nay cácloại thuốc khác vẫn chưa có hiệu quả chữa bệnh tương đương nên CAP vẫn cònđược tin dùng

Khóa luận được thực hiện với đề tài: “Nghiờn cứu quá trình phân hủy thuốc

kháng sinh Chloramphenicol bằng quang hóa (UV)” với các mục tiêu sau:

- Đánh giá khả năng và hiệu quả phân huỷ CAP bằng UV để từ đó đánh giáđộng học của phản ứng

- Xác định các sản phẩm phụ của quá trình phân huỷ quang hoá CAP bằngthiết bị LC/MS/MS

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1 Giới thiệu chung về CAP

Khả năng chữa bệnh của CAP được tìm ra vào năm 1948 và trở thành mộttrong những kháng sinh đầu tiên được sản xuất rộng rãi CAP được đưa lên tạp chíhàng năm đầu tiên của y học vào năm 1980

1.1.1 Thành phần, cấu tạo của CAP

CAP có tên khoa học là: 2,2-dichlor-N- [(aR,bR)-b

pH của dung dịch bão hòa từ 4.5-7.5, khá ổn định trong môi trường trungtính hoặc axit vừa, bị phân hủy nhanh trong môi trường kiềm Nhiệt độ nóng chảy

ở 149oC-153 oC, tan ở trong nước 25oC, có độc tính, trỏnh dựng lâu dài Trỏnh ỏnhsáng khi bảo quản

1.1.2 Tác dụng dược lý và độc tính

CAP được hấp thu nhanh qua đường tiờu hoỏ CAP palmitat thuỷ phân trong đườngtiờu hoỏ và được hấp thu dưới dạng cloramphenicol tự do Khi dùng đối với mắt,CAP được hấp thu vào thủy dịch CAP được phân bố trong hầu hết cỏc mụ của tế

bào cơ thể, đặc biệt ở trong gan Trong cơ thể, CAP gắn kết 60% với protein huyếttương CAP tan mạnh trong lipid, xâm nhập tốt vào cỏc mụ và dịch trong cơ thể:dịch não tủy (35-50%), não, xương, khớp…và cả bên trong tế bào CAP chủ yếu bịchuyển hóa ở gan và một phần được bài tiết qua mật, phần khác đào thải qua nướctiểu

CAP có tác dụng kìm khuẩn, nhưng có thể diệt vi khuẩn ở nồng độ cao hoặcđối với các vi khuẩn nhạy cảm nhờ khả năng ức chế quá trình tổng hợp protein củanhững vi khuẩn này

1.1.3 Hiện trạng sử dụng CAP

CAP được sử dụng như tác nhân chống khuẩn có giới hạn Chúng được sửdụng để chống nhiễm trùng, chống lại khuẩn cầu gram dương, vi khuẩn gram âmhiếu khí và vi khuẩn kị khí CAP được biết đến vào những năm 1950 để chống lại

sự nhiễm trùng ở diện rộng, ví dụ như bệnh thương hàn, bệnh số, bệnh viêmmàng não và các bệnh nhiễm trùng khác Ngày nay, chúng được sử dụng trongcác loại thuốc mỡ tra mắt, điều trị các bệnh về tai, da Ngoài ra, CAP còn được

sử dụng trong ngành thú y có hiệu quả cao, đặc biệt trong ngành thủy sản

Việc sử dụng CAP quá mức sẽ sinh ra nhiều tác hại, trước hết phải kể đếngây ra ô nhiễm môi trường nước, làm phát sinh cơ chế kháng thuốc ở vật nuôi,con người, gây ra dư lượng trong thịt, hải sản, Các y văn trong nước và thế giớiđều ghi nhận rằng bằng đường dùng toàn thân, CAP gây ra nhiều tác dụng phụnhư hội chứng xanh xám (nôn, nhịp thở nhanh, căng bụng, tím xanh, phân xanh,ngủ lịm tiến tới trụy mạch và tử vong); Viêm dây thần kinh thị giác, viêm thầnkinh ngoại biên, mê sảng Trên hệ tiêu hóa, CAP gõy viờm lưỡi, có vị khó chịu,viêm miệng, buồn nôn Thuốc cũn gõy dị ứng với các biểu hiện ban đỏ, mày đay,phù mạch và sốc phản vệ Với trẻ nhỏ dưới 1 tháng tuổi, việc dùng CAP đườngtoàn thân có thể gây ra hội chứng suy tuần hoàn cấp Tác dụng phụ nghiêm trọngnhất là gây thiếu máu không tái tạo, không phục hồi do suy tủy xương, thườnggây tử vong [3] Chính vì vậy, CAP đã được chống chỉ định trong thức ăn cho giasúc, thuốc điều trị trờn gia súc để sản xuất thực phẩm cho con người (sữa bò,trứng gà, mật ong )

1.2 Ô nhiễm môi trường nước do dư lượng CAP

Trong những năm qua, cùng với công cuộc đổi mới và gia nhập nền kinh tếthế giới, thị trường thuốc chữa bệnh nước ta ngày càng phong phú đa dạng, đáp ứng

ngày càng tốt hơn nhu cầu điều trị và chăm sóc sức khỏe của nhân dân Thuốckháng sinh nhập khẩu và sản xuất trong nước được đưa ra thị trường với nhiềuchủng loại từ những loại thuốc kinh điển đến những kháng sinh thế hệ mới nhất vàđầy đủ số lượng Điều này đã mang lại những kết quả tốt trong phòng chống dịchbệnh nhưng cũng đã tạo nên hiện tượng kháng thuốc ngày càng tăng Mặt khác, việc

sử dụng thuốc kháng sinh không đúng cách, quá liều lượng ở các bệnh viện cũnggây ra ô nhiễm nước thải sinh hoạt, từ đó gây ra ô nhiễm nguồn nước mặt

Hầu hết các hợp chất kháng sinh được tìm thấy trong môi trường đều ở dạngdung dịch [10] Do đó, nước được coi là nhân tố chính trong việc vận chuyển cáchợp chất dược phẩm vào môi trường qua quá trình sử dụng, sản xuất và loại bỏchúng Dư lượng thuốc kháng sinh trong nước mặt và nước uống có thể từ ng L-1

đến àg L-1 [18]

CAP có mặt trong môi trường chủ yếu do một số nguyên nhân sau:

- Do quá trình sản xuất thuốc của các nhà máy, công xưởng, xí nghiệp dượcphẩm hoặc nước thải, bãi rác của các bệnh viện có chứa hàm lượng lớn CAP Mặc

dù có thể nước thải đã qua hệ thống xử lý nhưng hàm lượng CAP vẫn còn đáng kể.[12]

- Do việc sử dụng lãng phí thuốc, dược phẩm quá hạn, cỏc vừ nhón bao bì đãqua sử dụng bị vứt bỏ nhưng không có sự kiểm soát hoặc quản lý chặt chẽ và thảitrực tiếp vào môi trường

- Do sử dụng thuốc và dược phẩm, CAP đi vào cơ thể người và động vật từviệc sử dụng thuốc chữa bệnh Sau khi uống thuốc, CAP không được sử dụng hết,một phần đào thải ra ngoài hệ bài tiết vào môi trường…

- Đặc biệt, do cú cỏc đặc tính kháng khuẩn nên CAP còn được sử dụng choquá trình chế biến, bảo quản và chữa bệnh cho thủy sản

Ngành chăn nuôi thủy sản nước ta rất phát triển, nhất là lĩnh vực nuôi tôm ởcác tỉnh ven biển, các tỉnh Đồng bằng sông Cửu Long Tuy nhiên, một thực tế hiệnnay là CAP được các nhà máy, cơ sở chăn nuôi sử dụng để trộn vào thức ăn hoặc

chữa bệnh cho thủy sản quá nhiều Theo [Nguyễn Khắc Cường (2003)], CAP được

sử dụng với hàm lượng 2-10ppm để tắm cho tôm khi tôm bị bệnh do nấm: ví dụ: vitảo lagenidium, callinestes, sirolpidiumsp., saprolegnia,… CAP là thành phần trongmột loại thuốc trị bệnh cho tôm có tên là Bactericide CL-30 Thuốc này khôngnhững dùng để tắm cho tôm mà cũn dựng trộn vào thức ăn để phũng/trị bệnh khi

đang nuôi tôm CAP cũng đã từng được dùng chữa các bệnh: nhiễm khuẩn máu cho

cá, phun vào nước để chữa bệnh phát sáng, chữa bệnh đỏ dọc thân ấu trùng, trộn vớithức ăn để trị bênh đốm nâu (tôm càng xanh), và bệnh mòn vỏ kitin… Ngoài ra,CAP được dùng sử dụng trực tiếp để bảo quản nguyên liệu trờn cỏc tàu cá và cơ sởthu mua thay vì sử dụng muối hay nước đá do CAP có trọng lượng vừa nhẹ, vừa cógiá rẻ và ướp thủy sản được tươi hơn

Do việc sử dụng thuốc kháng sinh CAP không đúng cỏch nờn gây ra hiệntượng kháng thuốc và tích tụ dư lượng CAP trong thủy hải sản và nước thải nuôitrồng thủy sản Hiện nay, ở Việt Nam đã có nhiều thủy hải sản đã bị cảnh báo vàcấm xuất khẩu do sử dụng CAP quá liều lượng Theo chỉ thị số 07/2001/CT- BTSngày 24/9/2001, Bộ Thủy sản đã cấm sử dụng kháng sinh này trong nuôi trồng thủysản khi có cảnh báo từ EU đối với nhiều lô hàng Việt Nam nhiễm CAP Theo kếtquả điều tra của Tổng cục tiêu chuẩn đo lường Việt Nam, trong 6 tháng đầu năm

2007, có hàng trăm lô hàng của Việt Nam xuất khẩu sang Mỹ đã bị trả về do pháthiện dư lượng CAP trong các sản phẩm thủy hải sản như: sản phẩm mực khô củacông ty Nam Hải , sản phẩm tôm thiên nhiên đông lạnh của công ty Nam Can , tôm

và mực của Công ty Seajoco VN, công ty Agrex Saigon Nước thải sau quá trìnhchế biến hoặc nuôi trồng thủy sản được đổ thẳng trực tiếp ra môi trường mà khôngđược xử lý Từ những nguyên nhân nờn trờn, dư lượng CAP trong môi trường là rấtđáng kể CAP có mặt trong môi trường bao gồm cả nước ngầm, nước mặt nước thải

và môi trường đất CAP đã được phát hiện trong trầm tích ở tỉnh Quảng Châu(Trung Quốc) với nồng độ 37 àg/kg….[14]

Dư lượng CAP trong nước thải: nước thải sinh hoạt là nơi đầu tiên tiếp nhậncác hợp chất dược phẩm So sánh hàm lượng các dược phẩm trước và sau trạm xử

lý thỡ cỏc hệ xử lý nước thông thường loại bỏ hầu hết các hợp chất hóa dược tuynhiên cú cỏc hợp chất khó xử lý còn tồn tại trong môi trường trong đó có CAP [17]

Dư lượng CAP trong nước mặt chủ yếu ở ao hồ, sông suối… đặc biệt là donước thải trong ngành chế biến và nuôi trồng thủy sản Theo một điều tra cho biết,hàm lượng CAP trong nước thải thủy sản ở Đồng bằng sông Cửu Long vào khoảng

20 – 80 ppm Với hàm lượng này sẽ gây ô nhiễm môi trường và có thể gây ảnhhưởng đối với các loài thủy sinh và tới con người

Tóm lại, vấn đề ô nhiễm nguồn nước bởi dược phẩm, đặc biệt là CAP đang

là vấn đề rất đáng quan tâm Nồng độ dược phẩm trong nước hiện nay còn thấpchưa đủ có thể ảnh hưởng tới sức khỏe con người nhưng ảnh hưởng đến môi trường

sinh thái, rong, tảo và các sinh vật sống trong nước và có nhiều nguy cơ tiềm ẩn.

1.3 Một số nghiên cứu về quá trình phân hủy CAP

Trên thế giới đó cú một số công trình nghiên cứu về quá trình phân hủy CAPbằng các phương pháp khác nhau như phản ứng quang hóa, oxi hóa cấp tiến(AOPs), sóng viba, tia gamma… Mục đích của các nghiên cứu này nhằm loại bỏ dưlượng CAP còn tồn dư trong môi trường, xác định các sản phẩm phụ và độc tínhcủa chúng đối với môi trường

L.Hong (2002) [13] đã nghiên cứu và thấy rằng dưới tác động của tiagamma, các liên kết C-C, C-Cl bị bẻ gãy và đồng thời xảy ra quá trình oxi hóa CAPtrong môi trường nước Bài bỏo đã xác định được 8 sản phẩm phụ do quá trình phânhủy CAP bởi tia gamma bằng phương pháp phân tích khối phổ trên thiết bị HPLC-

MS Các sản phẩm phụ này cú ớt độc tính hơn so với CAP và không gây ảnh hưởngđến sức khỏe con người (EMEA)

Li Lin et al, (2010) [14] đã đánh giá tính khả thi của phương pháp xử lý CAP

trong đất bằng sóng viba (microwave) Kết quả cho thấy rằng với năng lượng 700Wthì hiệu quả xử lý CAP là tốt nhất, giảm 85 % so với nồng độ ban đầu Nghiên cứunày cũng đã xác định ảnh hưởng của các yếu tố: nhiệt độ, vật liệu hấp phụ than hoạttính, khối lượng đất và nồng độ ban đầu đến quá trình phân hủy của CAP Các sảnphẩm phụ cũng đã được nghiên cứu và xác định trờn mỏy LC-MS Bài báo đó xỏcđinh được sản phẩm phụ của quá trình phân hủy CAP là 4-nitrobenzoic

A.Chatzitakis (2008) [7] đã nghiên cứu quá trình phân hủy CAP bằng phảnứng quang xúc tác Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng trong cùng một thời gian, khi

sử dụng ZnO làm chất xúc tác thì khả năng phân hủy CAP tốt hơn so với xúc TiO2

P-25 Bài báo còn nghiên cứu ảnh hưởng của H2O2 đến quá trình phân hủy CAP.Khi tăng nồng độ H2O2 thì khả năng phân hủy CAP tăng dần và đạt tối đa tại mộtgiá trị, nhưng khi nồng độ H2O2 lớn hơn giá trị đú thỡ quá trình phân hủy CAPgiảm

Ye Fan et al (2010) [21] đã nghiên cứu khả năng xử lý CAP trong nước thải

bằng NaOH kết hợp với than củi Nghiên cứu chỉ ra rằng, khả năng hấp phụ CAPtrên bề mặt than củi hoặc H2SO4 kết hợp với than củi là rất thấp nhưng khi kết hợpNaOH với than củi thì khả năng hấp phụ là rất lớn Sự có mặt của NaOH làm tăngkhả năng tương tác giữa vật liệu hấp phụ (than củi) và chất bị hấp thụ (CAP).Nghiên cứu này là tiền đề cho các phương pháp xử lý bằng các vật liệu có thể tái sử

dụng

Các nhà khoa học thuộc Khoa Môi trường, Trường Đại học Bách khoa Tp HồChí Minh đã nghiên cứu ứng dụng đất ngập nước kiến tạo dòng chảy ngầm để xử lý cácchất ô nhiễm và dư lượng kháng sinh CAP tồn tại trong nước thải các ao nuôi thủy sản

khu vực Đồng bằng sông Cửu Long Kết quả nghiên cứu cho thấy, giải pháp ứng dụng

đất ngập nước kiến tạo xử lý tái sử dụng cho nuôi trồng thủy sản là khả thi Sau khi xử lýnồng độ CAP giảm 40% so với nồng độ ban đầu Nước thải sau khi qua mô hình đạt yêucầu về chất lượng nước nuôi trồng thủy sản (TCVN 5943-1995 và TCVN 5942-1995loại A) có thể sử dụng tái sinh cho các ao nuôi

1.4 Giới thiệu về phản ứng quang hóa

Phản ứng quang hóa là những phản ứng hóa học xảy ra trong đó năng lượngcần thiết cho phản ứng là bức xạ điện từ (năng lượng mặt trời vùng tử ngoại hayvùng khả kiến)

Tia tử ngoại (hay tia cực tím, UV) là sóng điện từ có bước sóng ngắn hơnánh sáng nhìn thấy nhưng dài hơn tia X Phổ của tia cực tím chia ra làm các phần:UVA (380-315 nm), hay gọi là sóng dài hay "ánh sáng đen" chiếm tới hơn 95%trong số những tia UV chiếu xuống mặt đất; UVB (315-280 nm) gọi là bước sóngtrung bình; và UVC (ngắn hơn 280 nm) gọi là bước sóng ngắn Trong phổ mặt trời,5-10% bức xạ thuộc về vùng tia cực tím UV, trong khi đó tổng năng lượng mặt trờingày nắng trung bình ở mức 5kWh/m2 thì đây là nguồn năng lượng lớn và gần như

vô tận

Phản ứng quang hóa được chia làm hai giai đoạn, giai đoạn một là giai đoạnkhơi mào, chất tham gia phản ứng hấp thụ bức xạ điện từ (một photon) thích hợp,chuyển lên trạng thái kích hoạt và có khả năng tham gia phản ứng mạnh mẽ, có thểbiểu diễn :

Trong đó: A* là trạng thái kích hoạt của A

A có thể là nguyên tử, phân tử hay ion

A * sau đó có thể tham gia vào các quá trình sau :

- Phản ứng tỏa nhiệt: A * A + E với E là năng lượng giải phóng

- Phản ứng phát huỳnh quang (phát xạ): A* A + hυ

- Sự chuyển hóa nội, động phân hóa: A* B

 Cơ chế quá trình phân hủy hợp chất hữu cơ bằng quang hóa (UV)

Dưới tác dụng của bức xạ UV thích hợp, các chất hữu cơ chuyển từ trạngthái cơ bản lên trạng thái kích thích Ở trạng thái kích thích, chúng rất dễ tham giavào các phản ứng, đặc biệt là phản ứng oxy hóa – khử Chất hữu cơ hấp thụ nănglượng bức xạ UV lớn hơn năng lượng liên kết giữa các phân tử, do đó làm gãy mạchvòng hoặc góy cỏc mối liên kết giữa C-C, C-Cl hoặc nguyên tố khác trong cấu trúcphân tử của chúng và tạo ra các sản phẩm phụ

Quá trình phân hủy trực tiếp một chất hữu cơ bằng tia UV trong môi trườngnước (nước cất, loại trừ các chất tác dụng phụ, các chất có tác dụng xúc tác) có thểxảy ra theo 4 quá trình: [9]

1 Chất hữu cơ hấp thụ năng lượng hv từ các photon của UV và chuyển lêntrạng thái kích thích:

O2 + R-R O* + R-R-O (oxi hóa)

4 Do chất hữu cơ tồn tại trong môi trường nước, dưới tác dụng của UV, xảy raphản ứng thủy phân:

hv

R-R + H-OH R-H + R-OH.

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Đối tượng nghiên cứu

Khoá luận này được thực hiện trong bình phản ứng có lắp đèn UV chiếu sángtrong phòng thí nghiệm với chất chuẩn CAP, hãng Wako, Nhật, Dung dịch chuẩnCAP được hòa tan trong nước cất hệ Millipore Water Milli Q trong điều kiện pHtrung tính, mẫu phân tích được bọc kín trong túi nilon đen để tránh ánh sáng vàđược bảo quản lạnh ở 4oC

Một số yếu tố ảnh hưởng được đặt ra nghiên cứu để từ đó tiến hành đánh giáđộng học của quá trình phản ứng và xác định các sản phẩm phụ sinh ra

2.2.1 Tổng quan tài liệu

Thu thập các bài báo trong nước, các công trình nghiên cứu trên thế giới, cácbài khóa luận, luận văn những năm trước để tổng hợp tài liệu

2.2.2 Thực nghiệm

Hóa chất, dụng cụ, thiết bị thí nghiệm và mô hình thí nghiệm

- CAP dạng bột của hãng Wako, Nhật Bản có độ tinh khiết hơn 99%

- Methanol (99,9 %, HPLC grade) được sử dụng làm pha động cho phân tíchHPLC hoặc LC/MS/MS

- Axit formic (có độ tinh khiết >99%) của hãng Merck, Đức được sử dụnglàm dung dịch đệm

- Nước siêu sạch, deion từ hệ nước cất MiliQ với độ dẫn đạt 18m

- Dung dịch H2O2 30% , d = 1.11g/ml của hãng Merck, Đức được sử dụngtrong nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng H2O2 thêm vào

 Dụng cụ và thiết bị thí nghiệm:

- Đèn UV – A ( Vilber Lourmat, France) có bước sóng 365nm được sử dụng

để chiếu sáng phân huỷ Chloramphenicol

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

- Máy khuấy từ Jenway – Model 1000 – Trung Quốc

- Con quay

- Máy LC/MS/MS – Shimazu – Model 2010

- Các loại ống đong: 100ml, 200ml, 500ml, 1L,

- Các loại pipet: 2ml, 5ml, 10ml,

- Các loại vial (ống) lấy mẫu: vial 1.5 ml

- Ống thủy tinh thạch anh

 Mô hình hệ phản ứng thí nghiệm:

Hình 3: Mô tả hệ phản ứng quang hoá CAP

Hệ phản ứng gồm một nguồn đèn UV 365 nm ( = 50 nm ở ẵ chiều caođỉnh bước sóng) được đặt bên trong ống thạch anh có đường kính ngoài 2,5 cm vàđặt ở giữa bình phản ứng theo chiều thẳng đứng Chiều dài của đèn UV là 200 nm.Bình phản ứng bằng thuỷ tinh có thể tích 1 lít (đường kính bên trong là 80 mm).Xung quanh bình được bọc kín bằng giấy plastic màu đen để ngăn ánh sáng đi vàovới hệ phản ứng Dung dịch bên trong được duy trì ở 25 oC và được khuấy liên tụcbằng máy khuấy từ Tốc độ khuấy trong bỡnh luụn được duy trì ổn định ở khoảng

200 vũng/phỳt Để nghiên cứu quá trình phân hủy của CAP, thời gian lấy mẫu bắtđầu từ ngay khi phản ứng xảy ra (bật đèn UV) và sau những khoảng thời gian lấymẫu một lần, mẫu thu được cho vào vial 1.5ml, được bảo quản ở nhiệt độ 4oC vàđược phân tích trên thiết bị HPLC hoặc LC/MS/MS

Phương pháp phân tích

Hai kỹ thuật phân tích được sử dụng trong nghiên cứu khảo sát hiệu quả củaquá trình phân hủy CAP bằng UV là phương pháp phân tích bằng HPLC/UV vàphân tích bằng sắc ký lỏng – khối phổ (LC/MS/MS) [2]

Thiết bị ổn nhiệt

Máy khuấy từ

- Thời gian lưu: 22.15 phút

Đường chuẩn của CAP được xây dựng trong khoảng nồng độ lớn từ 1 đến 20ppm được trình bày trong hình dưới đây

Hình 4 Đường chuẩn CAP trên thiết bị HPLC/UV

 Phân tích bằng LC/MS/MS

LC/MS/MS (Liquid chromatography tandem mass spectrometry) là một kỹthuật phân tích kết hợp giữa khả năng phân tích vật lý của sắc kí lỏng (HPLC) vớikhả năng phân tích khối lượng của khối phổ (MS) Trong nghiên cứu này, thiết bịLC/MS/MS được sử dụng để xác định các sản phẩm phụ của quá trình phân huỷ

- Thể tích bơm mẫu: 5 àl

- Thời gian lưu: 22.15 phút

Một số thông số điều kiện khác của chế độ khối phổ có thể được thay đổi sẽđược trình bày cụ thể trong từng nghiên cứu để có thể xác định rõ được các sảnphẩm phụ

 Phân tích bằng TOC

TOC là tổng cacbon hữu cơ (Total Organic Carbon) được phân tích trên thiết

bị TOC của Shimadzu, Nhật Mẫu được chuẩn bị khoảng 25 mL cho mỗi lần phântích

2.2.3 Các phương trình động học phản ứng

Khoá luận tốt nghiệp sử dụng 2 phương trình động học để tính toán tốc độphản ứng là phương trình động học bậc 1 và phương trình đẳng nhiệt LangmuirHinshelwood

Lấy tích phân 2 vế của phương trình (1) được biểu thức sau:

Điều này có nghĩa là nồng độ của chất A giảm theo cấp số nhân như là mộthàm của thời gian Hằng số tốc độ k cũng có thể được xác định theo thời gian bánhuỷ Thời gian bán huỷ là thời gian làm cho nồng độ chất A (Co) giảm xuống cònmột nửa (Co/2) Từ đó ta có phương trình như sau:

k.t1/2 = ln[Co/(Co/2)] hay k = ln(2)/t1/2 (4)Như vậy, việc xác định hằng số tốc độ theo phương trình này tương đối đơngiản khi biết được thời gian bán huỷ

 Phương trình Langmuir - Hinshelwood

Tính chất động học của sự phân hủy quang hóa các hợp chất hữu cơ trongdung dịch CAP/UV được biểu diễn bằng phương trình Langmuir Hinshelwood đơngiản sau:

V = -dC dt = kKC KC



1 → V1 = kKC1 + k1 (5)Trong đó:

V : tốc độ phân hủy chất phản ứng (mol

C : nồng độ của chất phản ứng (mol/L.s)

k : hằng số tốc độ phản ứng( mol/L.s)

K : hằng số cân bằng biểu kiến (L/mol)

t : thời gian phản ứng (s)Nếu KC << 1 → v = k.K.C (phản ứng bậc 1) (6)

0 2 4 6 8 10 12

2.3 Nội dung nghiên cứu

2.3.1 Nghiên cứu quá trình phân hủy quang hóa CAP bằng UV

Thí nghiệm được tiến hành với dung dịch CAP pha trong nước siêu sạch,thời gian thí nghiệm trong 1 giờ Thời gian lấy mẫu được tính ngay khi phản ứngxảy ra (lúc bắt đầu bật đèn) và sau 1-2 phút lấy mẫu một lần (10 phút đầu) và sau 10phút (cho đến kết thúc quá trình) Các mẫu đựng trong các vial, thể tích lẫy mẫu là1ml, bảo quản trong điều kiện lạnh và sau đó phân tích bằng HPLC Hệ thí nghiệmnghiên cứu hiệu quả phân hủy CAP bằng UV và khảo sát động học của quá trìnhphân hủy CAP theo phương pháp này là:

- Nồng độ CAP 10 mg/l được tiến hành thí nghiệm trong 7 giờ chiếu sáng

Hệ thí nghiệm nghiên cứu khả năng phân hủy CAP bằng quang hóa (UV)

- Thay đổi nồng độ ban đầu của CAP: 0, 1, 2.5, 5, 10, 15, 20 mg/l Hệ thínghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ ban đầu lên sự phân hủy CAP

2.3.2 Nghiên cứu ảnh hưởng nồng độ H 2 O 2 đến sự phân hủy CAP

Thí nghiệm được tiến hành với dung dịch CAP (10 mg/l) Thời gian lấy mẫuđược bắt đầu ngay khi phản ứng xảy ra (lúc bắt đầu bật đèn) và sau 10 phút lấy mẫu

một lần cho đến kết thúc thí nghiệm Hệ thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng nồng độ

H2O2 đến sự phân hủy CAP theo phương pháp này là:

- Nồng độ H2O2 khảo sát là: 0, 10, 25, 50, 75 ppm, thời gian thí nghiệmtrong 6 giờ và không chiếu đèn UV MeOH được bỏ vào mỗi mẫu thí nghiệm với tỉ

lệ 50:50 để tránh hiện tượng CAP bị phân hủy bởi H2O2 sau khi kết thúc thí nghiệm

- Nồng độ H2O2 khảo sát là: 0, 3, 5, 7, 10, 25, 50 ppm, thời gian thí nghiệmtrong 1 giờ chiếu đèn UV

2.3.3 Nghiên cứu sản phẩm phụ của CAP

Thí nghiệm được tiến hành với dung dịch CAP (10 mg/l), thời gian thínghiệm trong 0-7 giờ Thời gian lấy mẫu được bắt đầu ngay khi phản ứng xảy ra(lúc bắt đầu bật đèn) và sau 15 phút (trong 1 giờ đầu tiên) và sau 1 tiếng (cho đếnkết thúc quá trình thí nghiệm) Các mẫu đựng trong các vial, thể tích lẫy mẫu là1ml, bảo quản trong điều kiện lạnh và sau đó phân tích bằng máy LC/MS/MS