Nghiên cứu tổng hợp vật liệu cds nano bằng hệ thống điện sinh học nhằm tái thu hồi kim loại nặng

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT AAS Atomic absorption spectroscopy Phổ hấp thụ nguyên tử BES Bioelectrochemical system Hệ thống điện sinh học CdS-NPs Cadmium sulfur nanoparticles Hạt CdS nano s

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

LÂM THƯƠNG THƯƠNG

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU CdS NANO BẰNG HỆ THỐNG ĐIỆN SINH HỌC NHẰM

TÁI THU HỒI KIM LOẠI NẶNG

Người hướng dẫn khoa học: 1 TS Hồ Tú Cường

2 PGS TS Nguyễn Văn Giang

NHÀ XUẤT BẢN HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP - 2019

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là Lâm Thương Thương, học viên cao học ngành Công nghệ Sinh học, khóa 2018 - 2019

Tôi xin cam đoan luận án thạc sỹ “Nghiên cứu tổng hợp vật liệu CdS nano bằng

hệ thống điện sinh học nhằm tái thu hồi kim loại nặng ” là công trình nghiên cứu của

riêng tôi, đây là công trình do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của TS Hồ Tú Cường và PGS.TS Nguyễn Văn Giang Các số liệu, kết quả trình bày trong luận án là hoàn toàn thu được từ thực nghiệm, trung thực và không sao chép

Mọi sự giúp đỡ đã được cảm ơn Mọi thông tin trích dẫn đã được chỉ rõ nguồn gốc

Hà Nội, ngày tháng năm 20

Tác giả luận văn

Lâm Thương Thương

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn, tôi đã nhận được

sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của các thầy cô giáo, sự giúp đỡ, động viên của bạn bè, đồng nghiệp và gia đình

Nhân dịp hoàn thành luận văn, cho phép tôi được bày tỏ lòng kính trọng và biết

ơn sâu sắc tới TS Hồ Tú Cường – Phó trưởng phòng Vi sinh vật Môi trường – Viện Công nghệ Môi trường – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, PGS TS Nguyễn Văn Giang – Bộ môn Công nghệ Vi sinh – Khoa Công nghệ Sinh học – Học viện Nông nghiệp Việt Nam Các thầy đã hướng dẫn tôi tận tình trong suốt quá trình thực hiện đề tài

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới Ban Giám đốc, Ban Quản lý đào tạo, Bộ môn Công nghệ Vi sinh, Khoa Công nghệ Sinh học - Học viện Nông nghiệp Việt Nam đã tận tình giúp đỡ tôi trong quá trình học tập, thực hiện đề tài và hoàn thành luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể lãnh đạo, cán bộ viên chức phòng Vi sinh vật Môi trường – Viện Công nghệ Môi trường – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã giúp đỡ và tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài

Xin chân thành cảm ơn gia đình, người thân, bạn bè, đồng nghiệp đã tạo mọi điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tôi về mọi mặt, động viên khuyến khích tôi hoàn thành luận văn Một lần nữa tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới quỹ phát triển khoa học công nghệ quốc gia (NAFOSTED) đã hỗ trợ tôi thực hiện và hoàn thành luận văn này Luận văn được thực hiện trong khuôn khổ đề tài nghiên cứu do quỹ NAFOSTED triển khai với

mã số đề tài 104.03-2016.45./

Hà Nội, ngày tháng năm 20

Tác giả luận văn

Lâm Thương Thương

MỤC LỤC

Lời cam đoan i

Lời cảm ơn ii

Mục lục iii

Danh mục chữ viết tắt v

Danh mục bảng vi

Danh mục hình, biểu đồ vii

Trích yếu luận văn viii

Thesis abstract ix

Phần 1 Mở đầu 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục đích nghiên cứu 2

Phần 2 Tổng quan tài liệu 3

2.1 Vấn đề ô nhiễm cadimi hiện nay 3

2.2 cấu trúc và những thuộc tính đặc trưng của vật liệu CDS 4

2.2.1 Các dạng cấu trúc tinh thể 4

2.2.2 Một số tính chất đặc biệt của vật liệu CDS nano 4

2.2.3 Các phương pháp chế tạo hạt CDS nano 6

2.3 Các hệ thống điện sinh học (bioelectrochemical systems - BESS) 7

2.3.1 Giới thiệu tổng quát về các hệ thống điện sinh học 7

2.3.2 Vi sinh vật được sử dụng trong các hệ thống BES 9

2.3.3 Ứng dụng của các hệ thống điện sinh học trong thu hồi kim loại nặng 11

Phần 3 Vật liệu và phương pháp 14

3.1 Lựa chọn thiết kế tối ưu cho hệ thống bes và điều kiện thí nghiệm 14

3.1.1 Thiết kế hệ thống BES 14

3.1.2 Điều kiện thí nghiệm 14

3.2 Môi trường nuôi cấy và chủng vi sinh vật 14

3.2.1 Chuẩn bị vi khuẩn 14

3.2.2 Môi trường trong khoang anot 15

3.2.3 Môi trường trong khoang catot 16

3.3 Tiến hành thí nghiệm và phân tích 16

3.4 Phân tích mẫu 17

3.4.1 phương pháp xác định mật độ tế bào, PH môi trường và nồng độ lactat còn lại trong môi trường nuôi cấy 17

3.4.2 Phương pháp phân tích phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) xác định nồng độ ion CD trong mẫu 17

3.4.3 Phương pháp nghiên cứu cấu trúc, hình thái học và tính chất của vật liệu 18

Phần 4 Kết quả và thảo luận 23

4.1 Thiết kế hệ thống BES 23

4.2 Nghiên cứu sự biến động trong khoang anot 25

4.2.1 Sự thay đổi về mật độ tế bào trong khoang anot 25

4.2.2 Tốc độ tiêu thụ lactat trong khoang anot 27

4.2.3 Sự thay đổi ph trong khoang anot 28

4.3 Nghiên cứu sự biến động trong khoang catot 29

4.3.1 Sự suy giảm nồng độ ion cd2+ trong dung dịch catot 29

4.3.2 Đặc trưng về hình thái, cấu trúc và tính chất hạt cds hình thành trong khoang catot 33

Phần 5 Kết luận và kiến nghị 37

5.1 Kết luận 36

5.2 Kiến nghị 36

Tài liệu tham khảo 38

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

AAS Atomic absorption spectroscopy Phổ hấp thụ nguyên tử

BES Bioelectrochemical system Hệ thống điện sinh học

CdS-NPs Cadmium sulfur nanoparticles Hạt CdS nano

spectroscopy

Phổ tán sắc năng lượng tia X

EET Extracellular electron transfer Chuyển điện tử ngoại bào

chromatography

Sắc kí lỏng hiệu năng cao

MFC Microbial fuel cell Pin nhiên liệu vi sinh vật

MEC Microbial electrolysis cell Hệ điện li vi sinh vật

SAED Selected area electron diffraction Nhiễu xạ điện tử lựa chọn vùng SEM Scanning electron microscopy Hiển vi điện tử quét

microscopy

Hiển vi điện tử truyền qua

DANH MỤC HÌNH, BIỂU ĐỒ

Hình 4.1 Hệ thống điện sinh học có điện cực dương kị khí 24 Hình 4.2 Hệ thống điện sinh học có khoang điện cực dương hiếu khí 25 Hình 4.3 Mật độ vi khuẩn trong khoang cực âm của các hệ thống BES1, BES2,

BES3 và BES ĐC trong 6 ngày thí nghiệm 26 Hình 4.4 Màng sinh học do vi khuẩn Shewanella sp HN-41 hình thành trên

vách ngăn cao su của (A) hệ thống BES4, (B) hệ thống BES5 sau khi kết thúc thí nghiệm 27 Hình 4.5 Mật độ vi khuẩn trong khoang cực âm của các hệ thống BES4 và

BES5 trong 14 ngày thí nghiệm 27 Hình 4.6 Sự thay đổi hàm lượng lactat trong khoang điện cực âm trong 6 ngày

thí nghiệm 28 Hình 4.7 Sự thay đổi pH trong khoang anot của các hệ BES, (A) các hệ thống

BES ĐC, 1, 2 và 3; (B) BES4 và BES5 29 Hình 4.8 Nồng độ ion Cd2+ còn lại trong mẫu thu ở các hệ BES1, BES2 và

BES3 tại các thời điểm ngày 0, 2, 4, và 6 30 Hình 4.9 Sự thay đổi nồng độ Cd2+ trong khoang cực dương các hệ thống BES

có catot-hiếu khí 32 Hình 4.10 Sự thay đổi màu của dung dịch Catot với hệ BES đối chứng (A); Hệ

BES2 (B); Hệ BES3 (C) ngày thứ 14 của thí nghiệm 32 Hình 4.11 Các đặc trưng về hình thái hạt CdS (A) Ảnh kính hiển vi điện tử

truyền qua và ảnh nhiễu xạ điện tử (TEM/SEAD)của hạt nano Cd với

mẫu thu ngày 21 (B) Ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM) của hạt

CdS trong mẫu ngày 28 33 Hình 4.12 Phổ tán sắc năng lượng tia X 34 Hình 4.13 Bản đồ phân bố các nguyên tố trên mẫu vật đã loại bỏ các nguyên tố

C và O 34 Hình 4.14 Giản đồ nhiễu xạ tia X (A) Giản đồ nhiễu xạ tia X của vật liệu CdS

thu được (B) Giản đồ nhiễu xạ tia X của tinh thể CdS ở kích thước~30 Å, ~20 Å và ~15 Å lần lượt từ trên xuống dưới 35 Hình 4.15 Phổ UV-Vis của vật liệu Nano CdS trong dải bước sóng 200-700 nm 36

TRÍCH YẾU LUẬN VĂN Tên tác giả: Lâm Thương Thương

Tên Luận văn: Nghiên cứu tổng hợp vật liệu CdS nano bằng hệ thống điện sinh học

nhằm tái thu hồi kim loại nặng

- Tổng hợp vật liệu nano CdS có kích thước nhỏ với chi phí thấp

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu này gồm các nội dung: thiết kế các hệ thống điện sinh học (Bioelectrochemical systems – BES) đơn giản, ưu tiên sản sinh dòng điện thấp trong chế tạo hạt CdS nano; khảo sát sự biến động về mật độ tế bào, pH môi trường và khả năng tiêu thụ cơ chất lactat trong khoang anot của các hệ thống BES; nghiên cứu khả năng loại bỏ ion Cd (II) dưới dạng tủa CdS và đặc tính về hình thái, kích thước và cấu trúc của vật liệu CdS nano được tổng hợp trong khoang catot của các hệ BES

Các phương pháp sử dụng để xác minh vật liệu nano bao gồm các phân tích hiển

vi điện tử quét (SEM), hiển vi điện tử truyền qua (TEM), phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX), phổ nhiễu xạ tia X (XRD) và phổ hấp thụ tử ngoại (UV-Vis) Đồng thời khả năng tiêu thụ cơ chất ở khoang anot sẽ được đánh giá thông qua phân tích HPLC Nồng

độ ion trong dung dịch khoang catot sẽ được phân tích theo phương pháp phân tích phổ hấp thụ nguyên tử (AAS)

- Hệ thống BES – catot hiếu khí đã vận hành thành công cho sản phẩm hạt nano CdS với kích thước trung bình xấp xỉ 10,82 nm; các hạt vật liệu thu được có tính chất lượng tử đặc trưng của nhóm vật liệu bán dẫn

THESIS ABSTRACTMaster candidate: Lam Thuong Thuong

Thesis title: Study on synthesis of CdS nanoparticles by using bioelectrochemical system

for recovering heavy metal

Educational organization: Vietnam National University of Agriculture (VNUA)

Research Objectives

- Designing Bioelectrochemical systems (BESs) for recovering heavy metals in nanoparticle forms

- Syntheszing small size CdS nanomaterials with low cost

Materials and Methods

The study covers the following: Designing simple BESs, prioritizing low current generation in synthesizing CdS nanoparticles; variation of OD, pH, and lactate concentration at anode chambers; studying on removing Cd(II) ion as CdS precipitate and characteristics of morphology, size and structure of nano CdS material synthesized at the cathode chamber of BESs

Formation of CdS nanoparticles was confirmed by scanning electron microscopy (SEM) analysis, transmission electron microscopy (TEM), X-ray energy dispersion spectroscopy (EDX), diffraction spectra X (XRD) and ultraviolet absorption spectrum (UV-Vis) At the same time, the ability of cells to consume substrates at the anode chamber was measured by HPLC analysis The Cd (II) ion concentration at the cathodic solution was analyzed by atomic absorption spectrometry (AAS)

Main findings and conclusions

- The research team has designed and successfully operated a simple bioelectrochemical system for the synthesis of CdS nanomaterials

- The lactate substrate at the Anot chamber of the BES was consumed in within 6 days, the pH at the Anot chamber is stable at pH 7.4 due to using of HEPES buffer

- The CdS nanoparticles were successfully synthesized with an average size of approximately 10.82 nm by the aerobic cathode BES; the material shows quantum features of semiconductor material

Hạt Cadimi sunfua kích thước nano (CdS-NPs) thể hiện những đặc tính ưu việt hơn so với các hạt có kích thước lớn hơn, chúng được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau của đời sống Trong khoa học vật liệu, người ta sử dụng các hạt CdS nano trong chế tạo pin mặt trời (solar cells) (Ferekides and

Britt, 1994; Nishitani et al., 1994; Mathew et al., 2004; X Wu et al., 2004), cảm biến quang (photo-detectors) (Wagner et al., 1975; Huang et al., 2005; Mahdi et al., 2012; Manna et al., 2012; Di Wu et al., 2012), các thiết bị quang điện tử (optoelectronic devices) (Kuan-Ju Wu et al., 2007; Xianglong Li et al., 2009a)

các vật liệu có tính chất quang phi tuyến (nonlinear optical materials) và vô số các thiết bị phát quang (luminescence devices), quang hóa xúc tác (photochemical catalysis), máy dò (detectors) tia laser và tia hồng

ngoại,…(Haram et al., 2001; De et al., 2008; Khan et al., 2011) Đặc biệt là trong

lĩnh vực sinh học phân tử và y sinh, các chấm lượng tử CdS (QDs) thể hiện đặc tính lượng tử bị ảnh hưởng bởi kích thước, đã được ứng dụng như nhãn huỳnh quang (fluorescence labeling) cho việc thu nhận hình ảnh tế bào sống (live cell

imaging) (Xianglong Li et al., 2009a; Wei et al., 2012); đầu dò phát quang kích

thước nano (luminescent nanosized probes) trong định lượng nucleic acids

(Le-Yu Wang et al., 2002b); các loại cảm biến sinh học (biosensors) như cảm biến glucose, organophosphate, enzyme, DNA (Joseph Wang et al., 2002a; Huang et al., 2005; Merkoçi et al., 2005; Kun Wang et al., 2011a; Kun Wang et al., 2011b; Zhiguo et al., 2011; Qian et al., 2012)

Hiện nay, có nhiều cách để tổng hợp hạt CdS nano như: phương pháp hóa hơi bằng nhiệt (thermal evaporation) (Kar and Chaudhuri, 2006), phương pháp

lắng đọng hơi hóa học (chemical vapor deposition) (Ge and Li, 2004), quá trình

tổng hợp dung môi nhiệt (solvothermal) (Xu et al., 2005), và quá trình tổng hợp thủy nhiệt (hydrothermal) (Yuexiang Li et al., 2009b) Tuy nhiên các phương

pháp này lại rất độc hại và khó tùy chỉnh được kích thước mong muốn Phương pháp sinh học sử dụng năng lượng điện tạo ra từ hệ thống điện sinh học (Bioelectrochemical system – BES để tổng hợp vật liệu nano được biết như là một phương pháp an toàn và thân thiện với môi trường, tuy nhiên các nghiên cứu

về tổng hợp CdS nano bằng phương pháp này vẫn còn rất hạn chế

Chính vì những lý do đó, chúng tôi đã thực hiện đề tài: “Nghiên cứu tổng

hợp vật liệu CdS nano bằng hệ thống điện sinh học nhằm tái thu hồi kim loại nặng” Nghiên cứu này gồm 3 nội dung cụ thể: (1) Nghiên cứu thiết kế các hệ

thống BES đơn giản, ưu tiên sản sinh dòng điện thấp trong chế tạo hạt CdS nano; (2) Nghiên cứu sự biến động về mật độ tế bào, pH môi trường và khả năng tiêu thụ

cơ chất lactat trong khoang anot của các hệ thống BES; (3) Nghiên cứu khả năng loại bỏ ion Cd(II) dưới dạng tủa CdS và đặc tính về hình thái, kích thước và cấu trúc của vật liệu CdS nano được tổng hợp trong khoang catot của các hệ BES

1.2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu này nhằm:

- Xây dựng hệ pin nhiên liệu vi sinh vật để tái thu hồi kim loại nặng dưới dạng vật liệu nano

- Tổng hợp vật liệu nano CdS có kích thước nhỏ với chi phí thấp

PHẦN 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

2.1 VẤN ĐỀ Ô NHIỄM CADIMI HIỆN NAY

Cadimi được xem là một trong những kim loại nặng có nguy cơ gây hại trực tiếp đến sức khoẻ con người Ở nồng độ cao, Cd gây rối loạn hoạt động của enzym, gây cao huyết áp, gây hỏng thận, phá hủy các mô và hồng cầu (Nguyễn Thành Hưng, 2016) Nguồn gây ô nhiễm Cadimi tự nhiên trong đất là quá trình phong hoá các đá mẹ; tuy nhiên nguồn gây ô nhiễm chủ yếu kim loại này là nguồn nhân tạo từ công nghiệp luyện kim, lọc dầu, khai khoáng, mạ kim loại, ống dẫn nước Trong đất Cd có thể tồn tại ở 2 dạng: rất linh động và kém linh động Trong đất chua, Cd tồn tại ở dạng linh động là các ion và phức hữu cơ của

Cd Dạng kém linh động của Cd tồn tại dưới dạng cacbonat, sunfua, photphat, arsenat và một số hợp chất hữu cơ gốc oxalat với Cd trong điều kiện kiềm do bón vôi hoặc đất chứa nhiều Fe, Al, Mn, chất hữu cơ (Phan Thị Thu Hằng, 2018) Hàm lượng trung bình Cd trong nước ngọt (nước mưa, nước sông, nước ngầm)

và nước biển lần lượt là 0.1 và 0.08 ppb (Boecker and Peng 1982); trong đất dao động khoảng 0.35 mg/ kg (Bovven, 1979) (Mai Trọng Nhuận và cs., 2002)

Nước thải công nghiệp và nước thải của quá trình xử lý rác là những nguyên nhân trực tiếp gây tích lũy Cd trong đất tùy theo mức độ khác nhau Kết quả quan trắc vùng chịu ảnh hưởng của rác thải đô thị Nam Sơn - Sóc Sơn từ năm 2006-2010 cho thấy, hàm lượng Cd trung bình tại các điểm dao động từ 0,45-0,59 mg/kg tuy chưa vượt quy chuẩn kỹ thuật (QCVN) nhưng đã cao hơn giá trị trung bình Cd nền cho nhóm đất xám Việt Nam là: 0,37 - 0,42mg Cd/kg đất; đối với vùng đất bị ảnh hưởng của công nghiệp hóa chất hàm lượng Cd có xu hướng tích lũy cao hơn đạt từ 0,61-2,29mg Cd/kg đất, cá biệt đã có những điểm vượt quá QCVN 03:2008/BTNMT cho phép đối với đất phục vụ cho sản xuất nông nghiệp Theo Mai Trọng Nhuận và cs (2002) trong trầm tích bãi triều khu vực châu thổ sông Hồng, hàm lượng các nguyên tố kim loại nặng có xu thế tăng dần từ nhừng năm 1950 đến nay Hàm lượng Cd và một số các nguyên tố khác trong rừng ngập mặn ở đổng bằng sông Hồng đã vượt ngưỡng hướng dẫn đánh giá chất lượng môi trường trầm tích của Canada (ISQGs), có thể gây ra những ảnh hưởng lên sức khỏe của sinh vật bám đáy và chuỗi/lưới thức ăn (Mai Trọng Nhuận và cs 2002) Theo báo cáo của các công trình nghiên cứu gần đây cho thấy nước ngầm, nước mặt và đất trên địa bàn thành phố Hà Nội đã bị ô nhiễm kim loại nặng Cd (Nguyễn Xuân Hải, 2005a, 2006b)

Hiện nay, chưa có biện pháp giải độc Cadimi tối ưu Vì vậy việc chủ động phòng tránh Cadimi trước khi kim loại này xâm nhập vào cơ thể là cần thiết và quan trọng

2.2 CẤU TRÚC VÀ NHỮNG THUỘC TÍNH ĐẶC TRƯNG CỦA VẬT LIỆU CdS

CdS là một trong những vật liệu bán dẫn II–VI quan trọng do độ rộng vùng cấm lớn (Eg= 2,4 eV) tương ứng vùng ánh sáng nhìn thấy Với hiệu suất lượng tử cao cùng với khả năng có thể điều chỉnh các đặc trưng quang học theo kích thước cho phép sử dụng hiệu quả loại vật liệu này trong các lĩnh vực quang điện tử và quang tử như là phần tử đánh dấu sinh học, vật liệu phát quang trong chiếu sáng rắn Mặt khác, năng lượng liên kết exciton của CdS nhỏ (29 mV) tương ứng với bán kính Bohr exciton: aB = 2,8 nm nên trong thực tế CdS là một trong các hệ chấm lượng tử điển hình được dùng để nghiên cứu hiệu ứng giam giữ lượng tử mà trong đó hiệu ứng kích thước thể hiện khá rõ nét

2.2.1 Các dạng cấu trúc tinh thể

Tinh thể CdS có nhiều dạng cấu trúc Dạng phổ biến nhất là tinh thể mạng lục giác wurtzite (hexagonal wurtzite) Các mạng ít phổ biến hơn là mạng lập phương tâm diện giả kẽm (face-centered zincblende-structure) và mạng tinh thể lập phương kiểu NaCl (rocksalts) Mạng lục giác wurtzite có nhóm đối xứng không gian (space group): P 63mc – C 6v4 Mạng lập phương giả kẽm (cubic, zincblende), nhóm đối xứng không gian: F43m – Td2 Pha lập phương ít phổ biến hơn và các thí nghiệm chế tạo CdS đã dẫn đến kết luận rằng cấu trúc tinh thể CdS lập phương có thể tồn tại trong phạm vi phạm vi nhiệt độ 20oC - 900oC Sự chuyển pha cấu trúc dưới áp suất thủy tĩnh từ wurtzite sang cấu trúc đá muối (rocksalts) được phát hiện bởi sự hấp thụ phụ thuộc vào áp suất (Bornstein, 1982)

2.2.2 Một số tính chất đặc biệt của vật liệu CdS nano

2.2.2.1 Hiệu ứng bề mặt

Khi vật liệu có kích thước càng nhỏ (r giảm, r là bán kính hạt nano) thì tỉ số giữa số nguyên tử trên bề mặt và tổng số nguyên tử của vật liệu (f) gia tăng Do nguyên tử trên bề mặt có nhiều tính chất khác biệt so với tính chất của các nguyên

tử ở bên trong lòng vật liệu, nên khi kích thước vật liệu giảm đi thì hiệu ứng có

liên quan đến các nguyên tử bề mặt, hay còn gọi là hiệu ứng bề mặt tăng Khi kích thước của vật liệu giảm đến nano mét thì giá trị f này tăng lên đáng kể Sự thay đổi

về tính chất có liên quan đến hiệu ứng bề mặt không có tính đột biến theo sự thay đổi về kích thước vì f tỉ lệ nghịch với r theo một hàm liên tục Vật liệu khối truyền thống cũng có hiệu ứng bề mặt, chỉ có điều hiệu ứng này nhỏ, thường bị bỏ qua Hiệu ứng bề mặt đóng một vai trò quan trọng đối với quá trình hoá học, đặc biệt trong các vật liệu xúc tác Sự tiếp xúc giữa bề mặt các hạt và môi trường xung quanh tạo điều kiện cho hiệu ứng xúc tác hiệu quả (Trịnh Thị Kim Chi, 2010)

2.2.2.2 Chấm lượng tử và hiệu ứng giam giữ lượng tử

Khi giảm đi một, hai hoặc ba chiều của vật liệu khối xuống kích thước nano mét, ta sẽ thu được các cấu trúc tương ứng gọi là giếng lượng tử - hai chiều (2D); dây lượng tử - một chiều (1D) và chấm lượng tử - không chiều (0D) Trường hợp 0D (chấm lượng tử): Khi các hạt mang điện bị giới hạn theo

cả ba chiều trong không gian và hoàn toàn không thể chuyển động tự do và vì thế chỉ tồn tại các trạng thái (kx, ky, kz) gián đoạn trong không gian k Phổ năng lượng từ gián đoạn chuyển sang thành tách mức năng lượng, các mức này

bị gián đoạn theo cả ba chiều trong không gian Như vậy, chấm lượng tử (Quantum dots - QDs) là các tinh thể nano bán dẫn, có kích thước từ vài nm tới vài chục nm, thường có dạng hình cầu Các chấm lượng tử điển hình phải kể đến như là CdSe, CdS,…

Chấm lượng tử giam giữ mạnh các điện tử, lỗ trống và các cặp điện tử - lỗ trống (còn gọi là các exciton) theo cả ba chiều trong một khoảng cỡ bước sóng

De Broglie của các điện tử Sự giam giữ này dẫn tới các mức năng lượng của hệ

bị lượng tử hoá, giống như phổ năng lượng gián đoạn của một nguyên tử Một trong những biểu hiện rõ nhất của hiệu ứng lượng tử xảy ra trong các chấm lượng

tử là sự mở rộng vùng cấm của chất bán dẫn tăng dần lên khi kích thước của hạt giảm đi và quan sát được qua sự dịch chuyển về phía các bước sóng xanh hơn (blue) trong phổ hấp thụ Biểu hiện thứ hai là sự thay đổi dạng của cấu trúc vùng năng lượng và sự phân bố lại trạng thái ở lân cận đỉnh vùng hoá trị và đáy vùng dẫn, mà biểu hiện rõ nhất của hiệu ứng giam giữ lượng tử mạnh là các vùng năng lượng liên tục sẽ trở thành các mức gián đoạn Một vài ưu điểm về quang học nổi trội của chấm lượng tử như: tính chất ổn định quang lớn hơn rất nhiều so với các chất màu truyền thống, thậm chí phát quang sau nhiều giờ ở điều kiện kích thích (Trịnh Thị Kim Chi, 2010)

2.2.3 Các phương pháp chế tạo hạt CdS nano

Có hai phương thức chủ yếu để tổng hợp vật liệu nano: phương thức “từ dưới lên” (bottom–up) và phương thức “từ trên xuống” (top–down) Phương thức

“từ trên xuống” thường là các phương pháp vật lý được thực hiện bằng cách nghiền tinh thể khối thành các tinh thể có cấu trúc nano, người ta chia nhỏ, “đẽo gọt” một vật thể lớn để tạo ra các vật liệu có cấu trúc nano có tính chất mong muốn Phương pháp “từ dưới lên” thường là các phương pháp hóa học, người ta lắp ghép những hạt có kích thước cỡ nguyên tử, phân tử hoặc cỡ nano mét để tạo

ra các vật liệu có cấu trúc nano và tính chất mong muốn Phương pháp vật lý từ “từ trên xuống” được áp dụng để chế tạo vật liệu có cấu trúc nano và chấm lượng tử bán dẫn thường là các phương pháp nghiền cơ năng lượng cao (high energy milling technique), phương pháp quang khắc (photolithography)… Sản phẩm của phương pháp vật lý từ trên xuống dùng phương pháp nghiền cơ năng lượng cao thường là các vật liệu kích thước nano mét Các phương pháp vật lý và hoá học “từ dưới lên” có thể kể như phương pháp phóng xạ (sputtering), phương pháp lắng đọng trong chân không bằng xung laser (PLD, pulsed laser deposition), phương pháp lắng đọng hơi hoá học (CVD, chemical vapor deposition), phương pháp nổ

(combusition method), phương pháp sol–gel (sol–gel method) (Burda et al., 2005), phương pháp thủy nhiệt (hydrothermal) (Yuexiang Li et al., 2009b), phương pháp đồng kết tủa, phương pháp micelle đảo (Burda et al., 2005), phương pháp phun

nóng sử dụng dung môi hữu cơ có nhiệt độ sôi cao Một số phương pháp hóa học được sử dụng để chế tạo hạt Nano CdS như là phương pháp hóa hơi bằng nhiệt (thermal evaporation) (Kar and Chaudhuri, 2006), phương pháp lắng đọng hơi hóa học (chemical vapor deposition) (Ge and Li, 2004), và quá trình tổng hợp dung

môi nhiệt (solvothermal) (Xu et al., 2005)

Các phương pháp vật lý từ dưới lên có ưu điểm là dễ tạo ra các màng mỏng cấu trúc nano có độ sạch và chất lượng tinh thể cao Tuy nhiên, các phương pháp vật lý này thường yêu cầu thiết bị phức tạp, cần có sự đầu tư lớn, không phù hợp với hoàn cảnh thực tế của một nước đang phát triển Các phương pháp hoá học khắc phục được vấn đề đầu tư trang thiết bị không lớn, dễ triển khai, có thể cho sản phẩm với giá thành hạ tuy nhiên lại độc hại và khó tùy chỉnh kích thước mong muốn Gần đây, các nhà khoa học đang hướng đến các phương pháp sinh học tổng hợp các vật liệu nano một các thân thiện với môi trường, Prasad and Jha (2010)

tổng hợp thành công các hạt CdS nano với chi phí thấp nhờ phản ứng xúc tác sinh

học của chủng Lactobacillus sp và Sachharomyces cerevisiae với dung dịch

Cadmium clorua được sục khí Hydro sunfua Nhiều nghiên cứu khác cũng đã thành

công trong việc sử dụng vi sinh vật để tổng hợp vật liệu CdS nano (Holmes et al., 1995; Yong et al., 2002) Các hệ thống điện sinh học khai thác khả năng xúc tác

sinh học của vi sinh vật, gián tiếp tổng hợp vật liệu nano sẽ trở thành công cụ sản xuất ưu việt trong tương lai

2.3 CÁC HỆ THỐNG ĐIỆN SINH HỌC (BIOELECTROCHEMICAL SYSTEMS - BESs)

2.3.1 Giới thiệu tổng quát về các hệ thống điện sinh học

Hệ thống điện sinh học (bioelectrochemical systems - BESs) là các tế bào điện hóa sử dụng vi sinh vật làm chất xúc tác sinh học trên một hoặc cả

hai điện cực (Hamelers et al., 2010) Hệ thống BES phổ biến nhất đó là pin

nhiên liệu vi sinh vật (microbial fuel cells - MFCs), pin nhiên liệu này sử dụng hoạt tính phát sinh dòng điện từ các cơ chất của vi sinh vật (Mathuriya

và Sharma, 2009) Một loại BES khác cũng rất phổ biến đó là hệ điện li vi sinh vật (microbial electrolysis cells - MECs) – tiêu thụ điện năng để cung cấp hidro và một số sản phẩm khác như formate, acetate, metan từ chất thải hữu

cơ Các kết quả nghiên cứu cho thấy tính khả thi của BESs trong sản xuất điện, làm giảm chất gây ô nhiễm đồng thời có thể thu hồi một lượng kim loại nặng, quý giá có trong nước thải luyện kim

2.3.1.1 Hệ thống pin nhiên liệu vi sinh vật (MFC)

Pin nhiên liệu vi sinh vật (MFC) được xem như là một công nghệ quan trọng trong lĩnh vực tái tạo năng lượng và xử lí chất thải Trong một pin nhiêu liệu vi sinh vật, ở cực âm (anode), nhờ hoạt tính của các vi sinh vật hoạt điện được làm giàu, các cơ chất được ôxi hóa và điện tử sinh ra được truyền cho điện cực (hình 2.1) Điện tử sau đó di chuyển theo chênh lệch thế oxi hóa khử qua một mạch ngoài từ cực âm sang cực dương, và được tiếp nhận bởi chất nhận điện tử cuối cùng, thường là ôxi, ở cực dương

Những nghiên cứu đầu tiên về pin nhiên liệu vi sinh vật được thực hiện bởi Potter, từ năm 1911, với mục đích sản sinh điện năng từ các chất hữu cơ, nhưng không thu được nhiều kết quả Sau năm 1931, Barnet Cohen đã tạo ra

một loạt các pin nhiên liệu vi sinh vật có dòng điện 2 miliampe bằng cách sử dụng vi sinh vật hoặc enzym để oxy hóa cơ chất (Allen and Bennetto, 1993) Tiếp theo đó, những nghiên cứu về MFC tiếp tục được phát triển bởi các nhà

khoa học Kim et al (1999) cho thấy khả năng truyền điện tử trực tiếp cho điện

cực của vi khuẩn Shewanella oneidensis Nhóm nghiên cứu ở Đại học Ghent (Bỉ) thì phát hiện ra rằng một số vi khuẩn trong cực âm (anode), ví dụ như các Pseudomonas, có khả năng tự sản sinh các chất truyền điện tử trung gian để

thực hiện phản ứng truyền điện tử tới điện cực (Rabaey et al., 2005) Hiện nay

các nhà nghiên cứu vẫn đang trong quá trình tìm hiểu và hoàn thiện cấu tạo của MFC, cũng như việc làm thế nào để phát huy tiềm năng thực sự của nó

Hình 2.1 Sơ đồ cấu tạo 1 MFC đơn giản

Nguồn: Logan (2008)

2.3.1.2 Hệ điện li vi sinh vật (MEC)

MEC được giới thiệu lần đầu tiên vào năm 2005 (Liu et al., 2005)

MECs khi hoạt động đòi hỏi một nguồn điện bên ngoài để có thể điện phân tạo

ra hydro tại cực dương, nhưng nguồn năng lượng bên ngoài này chỉ cần một lượng nhỏ, vì hầu hết năng lượng là từ năng lượng hóa học thu được từ các cơ

chất bị oxy hóa tại cực âm (Sleutels et al., 2009) Do đó, khí hydro có thể

được sản xuất với mức tiêu hao năng lượng thấp, nhờ sử dụng xúc tác điện sinh học được hỗ trợ bởi các nguồn năng lượng thấp bổ sung MECs là một mối quan tâm đặc biệt vì sản phẩm khí hydro là một loại khí quý giá và cần thiết cho nền kinh tế năng lượng khí hydro trong tương lai gần (Winter, 2005)

Hình 2.2 Sơ đồ cấu tạo 1 MEC đơn giản 2.3.2 Vi sinh vật được sử dụng trong các hệ thống BES

Hoạt động của một BES dựa trên nguyên tắc là quá trình trao đổi chất của vi sinh vật nên quần xã vi sinh vật của anot là một yếu tố rất quan trọng ảnh hưởng đến hoạt động của BES Ngoại trừ các vi sinh vật bám trên anot, các vi sinh vật khác không có khả năng truyền điện tử trực tiếp đến anot Lớp màng ngoài của hầu hết các loài vi sinh vật được cấu tạo bởi một màng lipit không dẫn điện, các peptidoglican và các lipopolysaccarit ngăn cản các điều kiện thuận lợi cho quá trình vận chuyển electron đến anot Vấn đề này có thể được giải quyết nhờ các chất truyền điện tử trung gian

2.3.2.1 Sử dụng chất truyền điện tử trung gian để vận chuyển electron

Các chất truyền điện tử trung gian ở trạng thái oxy hóa dễ dàng bị khử bằng cách lấy các electron từ bên trong màng của vi khuẩn Các chất truyền điện tử trung gian sau đó đi qua màng và giải phóng electron cho điện cực và lại bị oxy hóa lại ở khoang anot, do đó lại có thể tái sử dụng Các chất truyền điện tử trung gian tốt cần có các đặc tính sau: (1) Có thể thấm qua màng tế bào; (2) Có ái lực với electron lớn hơn chất mang electron trong chuỗi vận

chuyển electron; (3) Có tốc độ phản ứng điện cực cao; (4) dễ tan; (5) Phải hoàn toàn không bị phân hủy sinh học và không độc với vi khuẩn và (6) Phải

rẻ tiền Các đặc điểm trên nói lên hiệu quả của chất truyền điện tử trung gian Đối nghịch với các chất truyền điện tử trung gian có thế oxy hóa khử thấp về

lý thuyết được coi là tốt hơn, các chất truyền điện tử có thế oxy hóa khử cao,

có ái lực với electron cao hơn sẽ hấp thu electron trong tế bào tốt nhất Xanh methylen, đỏ trung tính, thionin, Fe(III) EDTA là các chất truyền điện tử trung gian tổng hợp được bổ sung vào nhưng vấn đề là độc tính của chúng hạn chế

khả năng sử dụng trong các hệ MFC (Ieropoulos et al., 2005; Park and Zeikus,

2000) Người ta cũng phát hiện rằng các vi khuẩn có thể sử dụng các hợp chất vốn có sẵn trong quá trình trao đổi chất (chất truyền điện tử trung gian nội sinh) như axit humic, anthraquinon, sulfat, thiosulfat Các chất này đều có thể chuyển electron từ bên trong màng tế bào đến anot (Lovley, 1993)

2.3.2.2 Các vi khuẩn trực tiếp truyền điện tử đến anot

Có một số loài vi sinh vật được ghi nhận là có khả năng tự truyền electron qua màng tế bào đến anot Các vi sinh vật này ổn định và có hiệu suất coulomb cao Shewanella putrefaciens, Geobacteraceae sulferreducens, Geobacter metallireducens, và Rhodoferax ferrireducens đều rất hiệu quả Chúng tạo thành lớp màng trên bề mặt anot và truyền điện tử trực tiếp đến anot qua màng tế bào (Kim và cs , 1999)

Hình 2.3 Chuỗi truyền điện tử của vi sinh vật

Các vi sinh vật này mang đến một cuộc cách mạng cho nghiên cứu MFC vì nó giảm việc sử dụng các chất truyền điện tử trung gian, các chất có tiềm năng gây ô nhiễm Ở đây, anot hoạt động như chất nhận electron cuối cùng từ tế bào do đó nâng cao khả năng tạo điện năng Cũng có những công bố

về vi sinh vật catot như Thiobacillus ferrooxidans, chúng tạo màng trên catot và đóng vai trò chất cho electron Các vi sinh vật này tạo ra một hiệu điện thế ở catot giúp cho phản ứng phù hợp xảy ra ở anot nhờ hệ vi khuẩn anot Các MFC hai khoang vi sinh vật này có thể tạo ra điện năng cao và giá thành thấp (Bond and Lovley, 2003)

2.3.3 Ứng dụng của các hệ thống điện sinh học trong thu hồi kim loại nặng

Trong những năm gần đây, các ứng dụng của BES đã được nghiên cứu mở rộng để loại bỏ các ion kim loại từ các nguồn nước thải bị ô nhiễm với hy vọng rằng các hệ thống này có thể được sử dụng để thu hồi các kim loại quý giá và khan hiếm từ chất thải luyện kim và các chất thải khác Các hệ thống BES dùng

để xử lý nước thải đồng thời với thu hồi kim loại nặng, thông thường có ba loại phản ứng trong quá trình sinh electron, vận chuyển electron, và tiêu thụ electron Các quá trình này gồm các phản ứng sinh điện hóa, điện hóa, và hóa học Các phản ứng sinh điện hóa xảy ra tại khoang anot, ở đó các electron được giải phóng trong quá trình trao đổi chất của vi sinh vật Các electron này tập hợp tại anot và sau đó đi qua một mạch ngoài đến khoang catot, tại đây xảy ra các phản ứng điện hóa các ion kim loại Các kim loại sẽ kết tủa trong dung dịch hoặc hòa tan trong dung dịch tùy thuộc vào đặc tính của kim loại Bảng 2.1 liệt kê một số kết quả nghiên cứu thu hồi và xử lý kim loại tại catot trong các hệ MFC

3.1.2 Điều kiện thí nghiệm

Thí nghiệm gồm 5 hệ thống BES được tiến hành trong điều kiện anot yếm khí và các điều kiện catot khác nhau:

(1) Hệ thống BES1có catot kị khí

(2) Hệ thống BES2 có catot hiếu khí và khuấy từ ở tốc độ 250 vòng/phút

(3) Hệ thống BES3 có catot kị khí, được với nối thêm pin AA 1.5 V thông qua một điện cực than chì phụ

(4) Hệ thống BES4 có catot hiếu khí

(5) Hệ thống BES5 có catot hiếu khí được nối thêm pin AA 1.5 V tương tự hệ thống BES3

(6) Hệ thống BESĐC: Hệ thống BES đối chứng, được đặt giống hệ thống BES1 với khoang anot không bổ sung vi khuẩn

3.2 MÔI TRƯỜNG NUÔI CẤY VÀ CHỦNG VI SINH VẬT

3.2.1 Chuẩn bị vi khuẩn

Trong nghiên cứu này, chúng tôi lựa chọn chủng vi khuẩn Shewanella sp HN-41 cho việc phát triển các hệ thống BES Vi khuẩn Shewanella sp HN-41là

chủng vi khuẩn mới, được phân lập từ các mảnh đá của đá phiến dầu kỉ Phấn

trắng từ các bãi triều nằm ở Haenam, Hàn Quốc Tuy nhiên S HN-41 có hoạt

tính khử sắt tương đối cao, đã được chọn và xác định là họ hàng gần của

Shewanella oneidensis MR-1 và Shewanella saccharophilus GC-29 (Ji-Hoon Lee

et al., 2007c) Chủng vi được bảo quản và lưu trữ tại phòng Vi sinh vật Môi

trường (Viện CNMT – Viện HL và KH Việt Nam)

Trước khi tiến hành bổ sung vi khuẩn vào các hệ thống BES, vi khuẩn

Shewanella sp HN-41 được nuôi cấy ở điều kiện yếm khí, 30oC, trên môi trường Luria – Bertani (LB) Agar trong vòng 24h để thu sinh khối tế bào

3.2.2 Môi trường trong khoang Anot

Môi trường sử dụng trong khoang điện cực âm là môi trường khoáng kị

khí, bổ sung cơ chất sodium lactate 10 mM (Ji-Hoon Lee et al., 2007b) Chuẩn

bị các dung dịch khoáng gốc và dung dịch khoáng vi lượng có nồng độ như đã trình bày trong bảng 3.1 và bảng 3.2

Bảng 3.1 Các dung dịch khoáng gốc dùng để chuẩn bị môi trường nuôi cấy

vi khuẩn trong khoang Anot

Bảng 3.2 Thành phần dung dịch khoáng vi lượng để chuẩn bị môi trường

nuôi cấy vi khuẩn trong khoang Anot

Pha môi trường khoáng trong khoang anot theo tỷ lệ như bảng 3.3, thêm nước cất định mức đến thể tích cần pha, chỉnh pH về 7,6 bằng dung dịch KOH Đun sôi và sục khí nitơ để đuổi oxy Môi trường khoáng sau khi được khử trùng sẽ được chia đều vào các khoang anot với thể tích là 100 ml, tiến

hành sục lại khí nitơ với thời gian 3 phút cho mỗi khoang anot

Bảng 3.3: Thành phần môi trường lỏng dùng cho khoang Anot

Dung dịch, hợp chất Hàm lượng/môi trường lỏng

3.2.3 Môi trường trong khoang Catot

Dung dịch điện cực dương gồm 2 muối Cadimi clorua (CdCl2) và Natri thiosulfate (Na2S2O3) với nồng độ lần lượt là 1 mM, 5 mM được pha trong nước cất, 100 ml dung dịch này được chia đều vào các khoang catot thí nghiệm Riêng đối với hệ thống điện cực dương kị khí, dung dịch catot được sục khí nitơ đuổi oxy trong khoảng 3 phút

3.3 TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH

Thí nghiệm được tiến hành lấy mẫu như sau:

Đối với các hệ thống BES1, BES2 và BES3

Tại điện cực âm (Anot): lấy mẫu theo ngày 0, 2, 4, và 6, mỗi lần 2 ml để đo

hàm lượng lactate, OD tại bước sóng 600 nm và pH môi trường

Tại điện cực dương (Catot): lấy mẫu theo ngày 0, 2, 4, và 6 để phân tích

hàm lượng ion Cd (II) trong dung dịch

vi điện tử truyền qua (TEM), phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX), phổ nhiễu xạ tia X (XRD) và phổ hấp thụ tử ngoại (UV-Vis) Thêm nữa, kết quả theo dõi hàm lượng lactate còn lại tại điện cực âm cho thấy hàm lượng lactate giảm đến

0 (đã phân tủy hết) sau 5 đến 6 ngày thí nghiệm Do đó lactate được bổ sung tiếp sao cho hàm lượng trong khoang điện cực âm là 10 mM, dừng phân tích hàm lượng lactate

3.4.2 Phương pháp phân tích phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) xác định nồng

độ ion Cd trong mẫu

Nguyên tắc: Mẫu phân tích được chuyển thành trạng thái hơi tự do Chiếu

1 chùm tia sáng có bước sóng xác định tương ứng với tia phát xạ của chất cần phân tích vào đám mây nguyên tử tự do thì các nguyên tử tự do sẽ hấp thụ năng lượng của các tia chiếu vào và tạo ra phổ hấp thụ nguyên tử của nó Đo phổ này