Phản ứng hóa học trong chế tạo vật liệu ceramic năm 2024

1. VÀ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU CERAMIC GẮN NANO BẠC ĐỂ SẢN XUẤT BỘ DỤNG CỤ LỌC NƯỚC UỐNG CÁ NHÂN CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG TRẦN THỊ NHÀN HÀ NỘI, NĂM 2017
2. VÀ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU CERAMIC GẮN NANO BẠC ĐỂ SẢN XUẤT BỘ DỤNG CỤ LỌC NƯỚC UỐNG CÁ NHÂN TRẦN THỊ NHÀN CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG MÃ SỐ: 60440301 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. TRẦN THỊ NGỌC DUNG HÀ NỘI, NĂM 2017
3. HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI Cán bộ hướng dẫn chính: TS. Trần Thị Ngọc Dung Cán bộ chấm phản biện 1: TS. Nguyễn Mạnh Tường Cán bộ chấm phản biện 2: TS. Mai Văn Tiến Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại: HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI Ngày …… tháng ……. Năm 20……
4. xin cam đoan các nội dung, số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hà Nội, ngày tháng năm 201 HỌC VIÊN Trần Thị Nhàn
5. hoàn thành luận văn tốt nghiệp, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến Tiến sĩ Trần Thị Ngọc Dung, Trưởng phòng phòng Công nghệ thân môi trường thuộc Viện Công nghệ môi trường đã tận tình hướng dẫn và truyền đạt cho tôi những kinh nghiệm quý báu, những lời khuyên cần thiết trong suốt quá trình làm luận văn. Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến ThS. Vũ Thị Mai đã giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện đề tài, đồng thời tôi xin cảm ơn quý thầy cô, trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội, đặc biệt thầy cô khoa Môi trường đã nhiệt tình truyền dạy những kinh nghiệm quý báu, những phương pháp nghiên cứu căn bản và những công cụ hỗ trợ đắc lực cho quá trình làm việc và nghiên cứu hiện tại cũng như trong tương lai. Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến GS.TSKH Nguyễn Đức Hùng và các bạn đồng nghiệp của Viện Công nghệ môi trường đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn này. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn với gia đình, các anh, chị, em, đã hết lòng giúp đỡ về vật chất và chỗ dựa tinh thần với những lời động viên cho công việc nghiên cứu để hoàn thành luận văn này. Tôi xin chân thành cảm ơn các bạn ở lớp CH1MT khóa 1 đã nhiệt tình giúp đỡ trong suốt quá trình vừa qua. Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 201 HỌC VIÊN Trần Thị Nhàn
6. ĐOAN .............................................................................................. i LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT.....................................vii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .................................................................... ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ........................................................... x MỞ ĐẦU........................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài luận văn ............................................................ 1 2. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu.................................................................. 2 2.1. Mục tiêu nghiên cứu................................................................................... 2 2.2. Nội dung nghiên cứu.................................................................................. 2 3. Ý nghĩa khoa học của luận văn ..................................................................... 3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN............................................................................. 4 1.1.Tổng quan về tình hình ô nhiễm môi trường nước hiện nay ...................... 4 1.1.1. Thực trạng ô nhiễm môi trường ........................................................... 4 1.1.2. Tác hại của ô nhiễm môi trường nước.................................................. 6 1.2.Các vi sinh vật gây bệnh trong nước .......................................................... 7 1.2.1. Vi khuẩn gây bệnh hay gặp trong nước .................................................. 7 1.2.2. Chỉ thị sinh vật trong môi trường nước.................................................. 8 1.4.Giới thiệu về ceramic và nano bạc............................................................ 11 1.4.1. Giới thiệu về ceramic ......................................................................... 11 1.4.2. Giới thiệu chung về nano bạc............................................................. 12
7. cứu trong nước và thế giới ........................................... 14 1.5.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới..................................................... 14 1.5.2. Tình hình nghiên cứu trong nước....................................................... 20 CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU....................24 2.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu............................................................ 24 2.1.1. Đối tượng nghiên cứu......................................................................... 24 2.1.2. Phương pháp nghiên cứu....................................................................... 24 2.2. Hóa chất, dụng cụ và thiết bị.................................................................... 25 2.2.1. Hóa chất................................................................................................ 25 2.2.2. Thiết bị và dụng cụ................................................................................ 26 2.3. Lựa chọn tỉ lệ hỗn hợp cao lanh/ chất độn và nhiệt độ nung vật liệu ceramic ............................................................................................................ 26 2.4.Các phương pháp đánh giá đặc tính của vật liệu...................................... 30 2.4.1. Phân tích nhiệt trọng lượng (DTG – TG)........................................... 30 2.4.2. Xác định độ xốp biểu kiến của vật liệu .............................................. 30 2.4.3. Đánh giá độ thôi nhiễm của vật liệu khi tiếp xúc môi trường nước... 31 2.4.4. Phương pháp phân tích vi sinh.............................................................. 32 2.4.5. Xác định diện tích bề mặt và kích thước lỗ xốp (BET) ..................... 34 2.4.6. Xác định cấu trúc tinh thể bằng nhiễu xạ tia X (XRD)...................... 34 2.4.7. Xác định thành phần nguyên tố trong mẫu bằng phổ kế huỳnh quang tia X (XRF)...................................................................................................... 34 2.4.8. Xác định kích thước nano bạc bằng việc sử dụng kính hiển vi điện tử quét (SEM)...................................................................................................... 35
8. sự rửa trôi bạc từ vật liệu lọc .............................................. 35 2.5. Tính toán, thiết kế bộ dụng cụ lọc nước cá nhân sử dụng vật liệu ceramic chế tạo được .................................................................................................... 36 2.5.1. Xác định các thông số cơ bản ............................................................... 36 2.5.2. Tính toán kích thước và nguyên vật liệu............................................... 37 2.5.3. Mô tả thử nghiệm với bộ dụng cụ lọc................................................... 40 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN..................... 42 3.1. Hình thái học của vật liệu ceramic sau khi nung ..................................... 42 3.2. Phân tích đặc tính của vật liệu ceramic xốp nano bạc ............................. 42 3.2.1. Kết quả phân tích nhiệt trọng lượng DTG - TG ................................... 42 3.2.2. Đánh giá độ thôi nhiễm của vật liệu khi tiếp xúc môi trường nước... 47 3.2.3. Xác định độ xốp biểu kiến.................................................................. 48 3.2.4. Tính diện tích bề mặt của vật liệu lọc theo phương pháp BET ............ 49 3.2.5. Xác định cấu trúc tinh thể (XRD)......................................................... 51 3.2.6. Xác định thành phần các nguyên tố có trong vật liệu lọc (XRF) ......... 52 3.2.7. Đánh giá sự rửa trôi bạc từ vật liệu lọc................................................. 54 3.2.8. Kết quả chụp SEM ................................................................................ 55 3.2.9. Khả năng diệt khuẩn của vật liệu lọc ceramic xốp gắn nano bạc theo thời gian tiếp xúc............................................................................................. 56 3.3. Ứng dụng vật liệu ceramic xốp nano bạc trong bộ dụng cụ lọc nước cá nhân ............................................................................................................ 57 3.3.1. Xác định khối lượng riêng của vật liệu................................................. 57 3.3.2. Tính toán kích thước và nguyên vật liệu............................................... 58
9. cụ lọc nước cá nhân................................................................ 63 3.3.3. Đánh giá chất lượng nước qua cột lọc .................................................. 64 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ......................................................................... 67 KẾT LUẬN..................................................................................................... 67 KIẾN NGHỊ .................................................................................................... 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................... 69 PHỤ LỤC 1: THỰC NGHIỆM PHỤ LỤC 2: THIẾT BỊ PHỤ LỤC 3: KẾT QUẢ PHÂN TÍCH
10. VĂN Họ và tên học viên: Trần Thị Nhàn Lớp: CH1MT Khóa: 2015-2017 Cán bộ hướng dẫn: TS.Trần Thị Ngọc Dung Tên đề tài: “Nghiên cứu chế tạo vật liệu ceramic gắn nano bạc để sản xuất bộ dụng cụ lọc nước uống cá nhân” Tóm tắt: Nước vô cùng quý báu và hết sức thiết yếu đối với sự sống của các sinh vật trên trái đất. Đảm bảo nước sạch cho nhu cầu ăn uống của con người nhất là với những nơi có điều kiện sống khó khăn như trong thời gian lũ lụt, những khu vực vùng sâu, vùng xa rất cần được quan tâm và đầu tư. Ngoài ra, nhu cầu sử dụng dụng cụ lọc nước cá nhân cho quân sự, dã ngoại,...là rất lớn. Dụng cụ lọc nước cá nhân sử dụng vật liệu ceramic xốp gắn nano bạc sẽ đáp ứng được yêu cầu này. Đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu đặc trưng vật liệu như DTG-TG, SEM, BET, cũng như đánh giá khả năng diệt vi sinh vật,... từ đó lựa chọn điều kiện tối ưu chế tạo vật liệu lọc cũng như dụng cụ lọc nước uống. Từ kết quả nghiên cứu, luận văn tìm ra điều kiện tối ưu để chế tạo vật liệu lọc là tỷ lệ cao lanh với mùn cưa tẩm muối bạc là 75: 25 và nung ở 1100 o C trong 60 phút để đạt độ xốp 47,383%. Đã chế tạo thành công bộ dụng cụ lọc nước cá nhân với công suất 0,3 L/h. Kết quả ban đầu cho thấy, bộ dụng cụ này có khả năng loại bỏ hoàn toàn các vi sinh vật và một lượng Asen có mặt trong nước đầu vào là nước Hồ Tây. Kết quả của luận văn có thể áp dụng dùng để sản xuất bộ dụng cụ lọc nước cá nhân cho nhu cầu dã ngoại và những nơi thường xuyên xảy ra lũ lụt, không có điện và thiếu nguồn nước sạch.
11. KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Giải thích ADN : Axit deoxyribonucleic APTES : 3-aminopropyltriethoxysilane BET : Phương pháp Brunauer-Emmett-Teller BJH : Phương pháp Barrett-Joiner-Halenda Bộ TN&MT : Bộ Tài nguyên và Môi trường BYT : Bộ Y tế cs : Cộng sự CSF : Ceramic silver-impregnated filter CFU : Colony forming unit DTG-TG : Phân tích nhiệt trọng lượng vi sai ICP-MS : Phổ khối nguyên tử plasma cảm ứng SEM : Kính hiển vi điện tử quét -SH : Nhóm sunfohydril PFP : Tổ chức Potters for Peace QCVN : Quy chuẩn kỹ thuật Việt Nam TEM : Kính hiển vi điện tử truyền qua TS : Tiến sĩ Viện HLKH&CNVN : Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam XRD : X-ray diffraction XRF : X-Ray Fluorescence
12. BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Tỷ lệ hộ có nguồn nước hợp vệ sinh phân theo vùng........................ 5 Bảng 1.2. Số ca mắc bệnh truyền nhiễm giai đoạn 2011-2014 ........................ 6 Bảng 3.1. Bảng tổng hợp giá trị nhiệt độ và trọng lượng hao hụt của vật liệu46 Bảng 3.2. Độ xốp tổng của vật liệu lọc chế tạo được tại nhiệt độ và tỷ lệ nhau .........................................................................................................................49 Bảng 3.3. Các tham số vật lý của vật liệu lọc ceramic xốp sử dụng mùn cưa 50 Bảng 3.4. Thành phần các nguyên tố có trong vật liệu ceramic .....................53 Bảng 3.5. Khả năng diệt khuẩn E.coli và Coliforms của vật liệu lọc theo thời gian tiếp xúc ....................................................................................................56 Bảng 3.6. Kết quả phân tích ICP - MS............................................................66
13. HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1. Cơ chế diệt khuẩn của nano bạc......................................................12 Hình 1.2. Hình dạng lõi lọc và nguyên tắc hoạt động của lõi lọc...................14 Hình 1.3. Bộ lọc nước sử dụng một lõi lọc và hai lõi lọc...............................14 Hình 1.4. Bộ lọc nước bằng gốm và thùng chứa nước sau lọc.......................16 Hình 1.5. Đĩa lọc bằng gốm ............................................................................16 Hình 1.6. Sự kết hợp giữa hạt nano bạc và gốm.............................................17 Hình 1.7. Gốm xốp không gắn nano bạc (hình a) và có gắn nano bạc (hình b) .........................................................................................................................17 Hình 1.8. Khối lượng của TPA và nano bạc bị phôi vào nước theo thời gian 18 Hình 1.9. Khả năng diệt khuẩn của thiết bị lọc gốm gắn TPA và nano bạc...18 Hình 1.10. Hệ thống lọc nước bằng gốm........................................................19 Hình 1.11. Dụng cụ lọc cá nhân Lifestraw .....................................................19 Hình 1.12. Màng gốm lọc nước có phủ nano bạc...........................................21 Hình 1.13. Bộ dụng cụ lọc nước ceramic xốp cố định nano bạc ....................21 Hình 1.14. Màng lọc gốm xốp chế tạo tại Bình Định.....................................22 Hình 2.1. Sơ đồ quy trình chế tạo vật liệu lọc ceramic có gắn nano bạc........27 Hình 2.2. Cao lanh (hình a) và mùn cưa (hình b) ...........................................28 Hình 2.3. Lò nung SX 6-13.............................................................................29 Hình 2.4. Bể siêu âm (hình a) và thí nghiệm vật liệu (hình b) .......................31 Hình 2.5. Phương pháp pha loãng mẫu theo dãy thập phân ...........................32 Hình 2.6. Quy trình thực hiện phân tích vi sinh..............................................33
14. kế huỳnh quang tia X Viet Space ............................................35 Hình 2.8. Kính hiển vi điện tử quét trường phát xạ (FE-SEM)......................35 Hình 2.9. Thiết bị ICP – MS Agilent Technologies 7700 series ....................36 Hình 2.10. Mô hình thử nghiệm......................................................................40 Hình 3.1. Nhiệt độ nung 1100 o C tạo ceramic với tỷ lệ cao lanh/ mùn cưa 100: 0 (a) và cao lanh/ mùn cưa 75:25 (b) ..............................................................42 Hình 3.2. Diễn biến TG và DTG của hỗn hợp cao lanh/ mùn cưa-AgNO3 khi tăng nhiệt độ....................................................................................................44 Hình 3.3. So sánh diễn biến TG và DTG của hỗn hợp cao lanh-mùn cưa tẩm AgNO3 với các tỷ lệ 85:15; 80:20 và 75:25....................................................46 Hình 3.4. Độ đục của mẫu ở nhiệt độ khác nhau với cùng thời gian siêu âm 48 Hình 3.5. Đường đẳng nhiệt hấp phụ/khử hấp phụ của vật liệu ceramic xốp sử dụng mùn cưa làm chất tạo xốp, nung ở nhiệt độ 1100 o C .............................50 Hình 3.6. Phổ XRD vật liệu ceramic xốp nung từ hỗn hợp caolanh/mùn cưa- AgNO3.............................................................................................................52 Hình 3.7. Phổ XRF vật liệu ceramic xốp nung từ hỗn hợp caolanh/ mùn cưa- AgNO3 .............................................................................................................53 Hình 3.8. Sự rửa trôi của bạc từ vật liệu lọc theo thời gian............................55 Hình 3.9. Ảnh SEM bề mặt (a), mẫu không gắn nano bạc (b) và mẫu gắn hạt nano bạc (c) trên vật liệu ceramic xốp ............................................................55 Hình 3.10. Hiệu suất diệt khuẩn theo thời của các mẫu nung ở 1100 o C........57 Hình 3.11. Mô hình bộ lọc nước cá nhân (hình a) và cột lọc (hình b)............63 Hình 3.12. Mẫu nước Hồ Tây trước khi lọc (M0) và sau khi lọc (M1)..........64
15. quả vi sinh nước Hồ Tây trước khi lọc (hình a) và sau khi lọc (hình b)............................................................................................................65 Hình 3.14. Kết quả đo độ đục của dung dịch trước và sau khi lọc qua thiết bị .........................................................................................................................65
16. cấp thiết của đề tài luận văn Nước là nguồn tài nguyên vô cùng quý báu và hết sức thiết yếu đối với sự sống của các sinh vật trên trái đất. Nước duy trì sự sống quan trọng hơn cả các thành phần dinh dưỡng khác. Cơ thể con người được cấu thành chủ yếu là nước. Nước phân phối khắp nơi trong cơ thể như máu, não bộ, phổi,.... Tuy nhiên, hiện nay rất nhiều người trên thế giới sử dụng nước không đảm bảo yêu cầu vệ sinh, nó là nguyên nhân dẫn đến các bệnh tật cho con người. Mức độ ô nhiễm nước đang ngày càng gia tăng do kiểm soát không hiệu quả nguồn gây ô nhiễm. Tình trạng này đã và đang gây ra những ảnh hưởng đến sức khỏe của người, làm tăng nguy cơ ung thư, sảy thai và dị tật bẩm sinh, dẫn đến suy giảm nòi giống. Theo thống kê của Bộ Y tế và Bộ Tài nguyên Môi trường trung bình Việt Nam có khoảng 9.000 người tử vong mỗi năm và gần 200.000 trường hợp mắc bệnh ung thư mới phát hiện, mà một trong những nguyên nhân chính là sử dụng nguồn nước ô nhiễm. Tại Campuchia [1], việc sử dụng bộ dụng cụ lọc nước để cung cấp nước sạch cho gia đình được áp dụng rộng rãi trên cả nước. Ưu điểm là thời gian làm bộ dụng cụ này nhanh, ngăn ngừa được vi khuẩn vào trong nước, đặc biệt là tại những nơi khan hiếm nước sạch. Tuy nhiên, trên thế giới có rất ít dụng cụ lọc nước cá nhân trong những trường hợp khẩn cấp hoặc những nơi có điều kiện bất lợi. Trong tháng 10, 11 năm 2017 vừa qua ở Việt Nam, miền Trung liên tiếp bị bão đổ vào khiến cho nước lũ dâng cao trên mức báo động 1 đến 2 mét, có nơi thậm chí đến 8 mét. Khi ngập lụt diễn ra, ngoài việc liên quan đến lương thực, thực phẩm thì việc cung cấp nguồn nước sạch cho ăn uống của người dân vùng lũ là rất cấp thiết.
17. người dân vùng lũ, vùng khó khăn ít có điều kiện tiếp cận nước sạch rất cần một thiết bị, dụng cụ lọc nước gọn nhẹ, không cần dùng điện để dễ dàng mang theo bên mình, đặc biệt thiết bị, dụng cụ này phải có khả năng làm sạch nước khỏi các loại vi sinh vật gây bệnh. Chính vì những nhu cầu bức thiết của người dân vùng lũ và vùng khó khăn, mà đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu ceramic gắn nano bạc để sản xuất bộ dụng cụ lọc nước uống cá nhân” đã được chọn làm luận văn cao học. 2. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu 2.1. Mục tiêu nghiên cứu - Xây dựng được quy trình chế tạo vật liệu lọc ceramic xốp gắn nano bạc của bộ dụng cụ lọc nước cá nhân. - Đánh giá được hiệu quả diệt khuẩn của vật liệu lọc và dụng cụ lọc. 2.2. Nội dung nghiên cứu - Tổng quan tài liệu trong và ngoài nước về nghiên cứu chế tạo vật liệu lọc ứng dụng để xử lý, nước cấp sinh hoạt nhiễm khuẩn và bị ô nhiễm. - Nghiên cứu xây dựng quy trình chế tạo vật liệu lọc ceramic xốp gắn nano bạc với các dạng định hình khác nhau như dạng viên, dạng màng bằng phương pháp khử in-situ. - Đánh giá các đặc trưng tính chất của vật liệu thu được, khả năng diệt khuẩn tĩnh, khả năng rửa trôi bạc trong dịch lọc. + Các đặc trưng tính chất của vật liệu thu được được thể hiện qua các phân tích SEM, BET,.... + Thử nghiệm khả năng diệt khuẩn của vật liệu + Đánh giá khả năng thôi nhiễm bạc của vật liệu lọc .
18. khoa học của luận văn - Chế tạo thành công vật liệu lọc ceramic xốp gắn nano bạc dạng hạt bằng phương pháp in-situ cho phép bạc được gắn đều trên bề mặt các lỗ xốp và được cố định trên vật liệu và đồng thời làm giảm đáng kể hiện tượng bạc trôi trong quá trình sử dụng. Vật liệu chế tạo ra có khả năng diệt khuẩn, phù hợp với việc khử trùng cho nước ăn uống và thích hợp dùng cho bộ dụng cụ lọc cá nhân. - Kết quả của luận văn góp phần giải quyết được nhu cầu về nước ăn uống của các cá nhân ở vùng lũ lụt, vùng khó khăn về nước và nhu cầu dã ngoại.
19. QUAN 1.1. Tổng quan về tình hình ô nhiễm môi trường nước hiện nay 1.1.1. Thực trạng ô nhiễm môi trường Ô nhiễm nước đang là vấn đề đáng báo động trên thế giới hiện nay, đặc biệt là các nước đang phát triển. Ô nhiễm nước là hiện tượng các vùng nước như sông, hồ, biển, nước ngầm,... bị các hoạt động của con người làm nhiễm các chất gây hại cho con người và cuộc sống của các sinh vật trong tự nhiên. Hiện nay, ở Việt Nam, mặc dù các cấp, các ngành đã thực hiện các chính sách và pháp luật về bảo vệ môi trường, nhưng tình trạng ô nhiễm nước là vấn đề rất đáng lo ngại. Tốc độ công nghiệp hóa và đô thị hóa khá nhanh cũng như sự gia tăng dân số gây áp lực càng nặng nề đối với tài nguyên nước. Môi trường nước ngày càng bị ô nhiễm bởi nước thải của khu công nghiệp, nước thải sinh hoạt, làng nghề,... chưa được thu gom tập trung để xử lý. Về tình trạng ô nhiễm nước ở nông thôn và khu vực sản xuất nông nghiệp, hiện nay Việt Nam có gần 76% dân số đang sinh sống ở nông thôn là nơi có cơ sở hạ tầng còn lạc hậu, phần lớn các chất thải của con người và gia súc không được xử lý nên thấm xuống đất hoặc bị rửa trôi, làm cho tình trạng ô nhiễm nước bởi các hợp chất hữu cơ và sinh vật ngày càng cao. Đặc biệt, trong sản xuất nông nghiệp do lạm dụng thuốc bảo vệ thực vật dẫn đến các nguồn nước ở kênh, mương bị ô nhiễm. Mặc dù gần đây, chính phủ đã có nhiều chính sách, đầu tư cung cấp nước sạch, nhưng vẫn chưa đáp ứng đủ nhu cầu của người dân nghèo. Một bộ phận người dân sinh sống tại vùng nông thôn và núi cao vẫn không được tiếp cận với hệ thống nước sạch hoặc thiếu nước cho sinh hoạt. Giữa các nhóm, các vùng có thu nhập khác nhau, mức độ được tiếp cận với nước sạch với tỷ lệ cũng khác nhau (bảng 1.1).
20. lệ hộ có nguồn nước hợp vệ sinh phân theo vùng [2]. Vùng Tỷ lệ hộ có nguồn nước hợp vệ sinh (%) Vùng Tỷ lệ hộ có nguồn nước hợp vệ sinh (%) Phân theo thành thị - nông thôn Phân theo vùng Thành thị 97,7 Đồng bằng sông Hồng 98,6 Nông thôn 87,4 Trung du và miền núi phía Bắc 80,2 Bắc Trung Bộ và duyên hải miền Trung 91,0 Tây Nguyên 82,8 Đông Nam Bộ 98,1 Đồng bằng sông Cửu Long 81,6 Việc đầu tư hệ thống xử lý nước sinh hoạt cho một hộ gia đình thường vượt quá mức thu nhập bình quân và mức sống của người dân nông thôn. Do đó, phần lớn người dân nông thôn vẫn khai thác và sử dụng trực tiếp nước sông hoặc các thủy vực xung quanh phục vụ cho sinh hoạt. Có nhiều nguyên nhân khách quan và chủ quan dẫn đến tình trạng ô nhiễm môi trường nước như: sự gia tăng dân số; mặt trái của quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa; nhận thức của người dân về vấn đề ô nhiễm môi trường chưa cao; cơ sở hạ tầng yếu kém, lạc hậu; lũ lụt,... Đáng chú ý là sự bất cập trong hoạt động quản lý, bảo vệ môi trường. Các quy định về quản lý
21. môi trường còn thiếu, cơ chế phân công và phối hợp giữa các cơ quan, các ngành và địa phương chưa đồng bộ, còn chồng chéo, chưa quy định trách nhiệm rõ ràng; chưa có chiến lược, quy hoạch khai thác, sử dụng và bảo vệ tài nguyên nước theo lưu vực, vùng lãnh thổ. 1.1.2. Tác hại của ô nhiễm môi trường nước Bệnh tật có liên quan đến ô nhiễm nguồn nước đã từ lâu được xem là một mối đe dọa lớn đối với sức khỏe cộng đồng, đặc biệt các bệnh như: bệnh tả, bệnh đường tiêu hóa và các bệnh ngoài da,... Tác hại ô nhiễm môi trường nước đối với sức khỏe con người chủ yếu do nước bị ô nhiễm vi trùng, vi khuẩn, các chất hữu cơ, asen và kim loại nặng (chì, cadimi, thủy ngân,...) và các hóa chất độc hại. Hiện nay, vẫn còn nhiều hộ dân sử dụng nước sông, ao hồ, kênh rạch để phục vụ sinh hoạt hàng ngày nên ảnh hưởng đến sức khỏe, nguy cơ nhiễm các bệnh về đường tiêu hóa là rất lớn. Báo cáo hiện trạng môi trường quốc gia [3] đã chỉ ra việc gia tăng các yếu tố nguy cơ từ ô nhiễm nước, không khí, thực phẩm, rác thải,…ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng. Bảng 1.2. Số ca mắc bệnh truyền nhiễm giai đoạn 2011-2014 [3] Đơn vị: Số ca mắc bệnh Tên bệnh 2011 2012 2013 Thương hàn 873 787 807 Lỵ trực trùng 41,506 43.133 40,064 Lỵ amíp 23,305 23,672 21,973 Tiêu chảy 753,714 720,247 660,450 Tay - chân - miệng 113,121 157,391 79,495 Nước ô nhiễm ảnh hưởng đến sức khỏe con người có thể thông qua hai con đường: một là do ăn uống; hai là do tiếp xúc trong quá trình sinh hoạt và
22. số các bệnh khác nhau liên quan đến nước thì các bệnh thường gặp là tiêu chảy do vi rút Rota, dịch tả, thương hàn, viêm gan, viêm dạ dày, viêm ruột, tiêu chảy, viêm não, giun sán, đau mắt hột, các bệnh do muỗi truyền (sốt rét, sốt xuất huyết, viêm não Nhật Bản) (bảng 1.2). Bên cạnh các bệnh về đường tiêu hóa như tiêu chảy, lỵ,… ô nhiễm nguồn nước còn gây bệnh thiếu máu, bệnh về da. Nguyên nhân chủ yếu do nguồn nước bị nhiễm asen, kim loại nặng như chì, cadimi,… Tại một số địa phương, khi quan sát các trường hợp ung thư, viêm nhiễm phụ khoa chiếm từ 40 đến 50 % là do từng sử dụng nguồn nước bị ô nhiễm [3]. 1.2. Các vi sinh vật gây bệnh trong nước Các vi sinh vật có trong nước thường gây bệnh đường ruột, chúng thường sống ký sinh với tế bào vật chủ. Các vi sinh vật hay gây bệnh cho người và động vật trong nước gồm vi khuẩn, virut, giun sán,… 1.2.1. Vi khuẩn gây bệnh hay gặp trong nước Shigella: chúng gây ra bệnh lỵ trực khuẩn ở người qua đường tiêu hóa như thức ăn, nước uống bị nhiễm khuẩn [4]. Shigella cũng có thể lấy nhiễm trực tiếp từ người qua người. Trong môi trường nước, các loài này có thể tồn tại hơn 6 tháng [5]. Liều nhiễm của vi khuẩn Shigella là rất thấp, tùy thuộc vào tình trạng và độ tuổi của người và động vật, ít hơn 100 tế bào vi khuẩn cũng có thể gây ra các nhiễm trùng [6]. Vibrio cholerae: chúng chỉ gây bệnh cho người (bệnh tả) và xâm nhập vào cơ thể theo nước uống, thức ăn vào trong dạ dày. Chúng sống lâu trong môi trường nước [7]. E.coli (Escherichia coli) hay còn được gọi là vi khuẩn đại tràng, là một trong những loài vi khuẩn chính ký sinh trong đường ruột của động vật máu nóng nên chúng có mặt ở trong phân người và động vật. E.coli là vi sinh vật
23. hết chúng không gây hại và đóng vai trò quan trọng trong ổn định sinh lý đường ruột [5]. Một số E.coli có thể gây ra bệnh tiêu chảy, suy thận. Sự có mặt của E.coli ở môi trường là một chỉ thị thường gặp cho ô nhiễm phân [7]. Coliforms là nhóm vi khuẩn phổ biến và sống trong nhiều môi trường khác nhau như đất, nước, thực phẩm,.... Chúng được xem như một vi sinh vật dùng cho chỉ thị sinh học đối với chất lượng nước uống vì chúng dễ phát hiện và định lượng. Coliforms chịu nhiệt có khả năng phát triển trong môi trường có mặt các muối mật hoặc các chất bề mặt tương tự, và tạo ra axit và khí từ khả năng lên men lactose trong vòng 48 giờ ở nhiệt độ 44 ± 0,5 °C [8]. 1.2.2. Chỉ thị sinh vật trong môi trường nước Theo QCVN 01:2009/BYT do Cục Y tế dự phòng và Môi trường biên soạn và được Bộ trưởng Bộ Y tế ban hành theo Thông tư số: 04/2009/TT – BYT ngày 17 tháng 6 năm 2009 quy định về chất lượng nước ăn uống cũng sử dụng hai thông số vi khuẩn chỉ thị là Coliforms tổng số và E.coli hoặc Coliforms chịu nhiệt. Theo quy chuẩn này, nước ăn uống phải đảm bảo không có Coliforms tổng số và E.coli hoặc Coliforms chịu nhiệt trong 100 mL nước. Do vi khuẩn có thể lan truyền gây bệnh cho người nên sự hiện diện của E.coli hoặc Coliforms chịu nhiệt chứng tỏ nước có thể bị nhiễm phân hoặc xử lý không hiệu quả. 1.3. Các phương pháp khử trùng nước hiện nay Các quá trình xử lý cơ học không thể loại trừ được toàn bộ vi sinh vật có trong nước, việc loại bỏ chúng cần tiến hành các biện pháp khử trùng. Khử trùng có thể theo quá trình vật lý hoặc hóa học. Các phương pháp vật lý [9] - Phương pháp nhiệt: Khi đun sôi nước ở 100 o C đa số các vi sinh vật bị
24. pháp này đơn giản nhưng tốn năng lượng (than, gas, củi,…) nên thường được áp dụng trong quy mô nhỏ như cá nhân, hộ gia đình. - Khử trùng bằng tia cực tím: Tia cực tím không làm thay đổi tính chất hóa học và lý học của nước. Tia cực tím có tác dụng làm thay đổi ADN của tế bào vi khuẩn để tiêu diệt chúng. Tuy nhiên, phương pháp này phụ thuộc vào thiết bị, chi phí đắt nên không thể áp dụng rộng rãi được, đặc biệt là những nơi chưa có điện. - Phương pháp siêu âm: Dòng siêu âm với cường độ tác dụng không nhỏ hơn 2W/cm2 trong khoảng thời gian trên 5 phút có khả năng tiêu diệt toàn bộ vi sinh vật trong nước. - Phương pháp lọc: sử dụng các loại màng lọc có kích thước lỗ nhỏ như sứ xốp, các tấm sành,… Lớp lọc này có tác dụng sẽ giữ và loại bỏ đa số vi sinh vật trong nước có kích thước 1-2 µm. Phương pháp hóa học [9] Cơ sở của phương pháp hóa học là sử dụng các chất oxy hóa mạnh như clo, brom, iốt, axit hypoclorit,…để oxy hóa men của tế bào vi sinh và tiêu diệt chúng. Do phương pháp hóa học có hiệu suất khử trùng cao nên chúng được áp dụng rộng rãi ở mọi quy mô. - Khử trùng bằng clo và các hợp chất của nó Clo là chất oxy mạnh dù là nguyên chất hay hợp chất, khi tác dụng với nước đều tạo ra axit hypoclorit (HOCl) có tác dụng khử trùng rất mạnh. Quá trình diệt vi sinh vật xảy ra qua 2 giai đoạn: Đầu tiên chất khử trùng khuếch tán xuyên qua màng tế bào vi sinh, sau đó phản ứng với men bên trong tế bào và phá hoại quá trình trao đổi chất dẫn đến sự diệt vong của tế bào. Phản ứng đặc trưng là sự thủy phân của clo tạo ra axit hypoclorit và axit clohyđric:
25. ⇔ HOCl + HCl Khi sử dụng clorua vôi làm chất khử trùng: Ca(OCl)2 + H2O ⇔ CaO + 2HOCl Tốc độ của quá trình khử trùng tăng khi nồng độ của chất khử trùng và nhiệt độ nước tăng. Tốc độ khử trùng bị chậm đi rất nhiều khi trong nước có các chất hữu cơ, cặn lơ lửng và các chất khử khác. Tuy nhiên, việc sử dụng clo và các hợp chất của clo có nhược điểm là tạo thành hợp chất cơ clo có hại cho sức khỏe cho người sử dụng, làm nước có mùi khó chịu. - Khử trùng bằng ion các kim loại nặng Với nồng độ rất nhỏ của ion kim loại nặng có thể tiêu diệt được các vi sinh vật và rêu, tảo sống trong nước. Khử trùng bằng phương pháp này đòi hỏi thời gian tiếp xúc lớn. - Khử trùng bằng ôzon Ôzon được tạo ra bằng cách cho oxy hoặc không khí qua thiết bị phóng tia lửa điện. Phương pháp này có khả năng khử trùng cao, không gây hại cho người dùng nhưng lại phụ thuộc quá nhiều vào thiết bị, chi phí đắt, tiêu tốn nhiều năng lượng điện. Như vậy, khử trùng nước trên cơ sở các tác nhân hóa học và vật lý tương đối nhiều nhưng đều có những nhược điểm như phụ thuộc vào điện hay tạo ra những hợp chất nguy hiểm cho sức khoẻ con người. Ứng dụng công nghệ nano vào xử lý nước [10] Trong lĩnh vực xử lý nước, công nghệ nano cung cấp khả năng của một loại bỏ hiệu quả các chất ô nhiễm và vi trùng. Ngày nay, màng nano và bột nano được sử dụng để phát hiện và loại bỏ các chất hóa học và sinh học bao
26. loại (đồng, chì, thủy ngân, niken, kẽm), chất dinh dưỡng (phosphate, amoniac, nitrat và nitrit), xianua, chất hữu cơ, tảo, virus, vi khuẩn, ký sinh trùng và kháng sinh. Về cơ bản có bốn loại vật liệu nano đang được đánh giá là vật liệu làm sạch nước, đó là các hạt nano chứa kim loại, các vật liệu nano cacbon, zeolit và dendrimers. Các vật liệu nano có kết quả tốt hơn so với các phương pháp xử lý nước khác do diện tích bề mặt cao (tỷ lệ bề mặt/ thể tích). Các nhà khoa học cũng thấy rằng vi khuẩn Coliforms được chiếu xạ trong thời gian ngắn trước khi xử lý bằng nano bạc ở nồng độ thấp với mục đích tăng hiệu quả kháng khuẩn. Trong tương lai, sự kết hợp cả hai phương pháp này có thể là lựa chọn tốt nhất để xử lý nước. Khử trùng bằng nano bạc Các lõi lọc có khe lọc rộng khoảng 100 nm, có thể ngăn được vi khuẩn không đi xuyên qua lõi lọc. Nếu vi khuẩn đi vào lõi lọc, nó sẽ bị mắc kẹt tại các mao quản. Với vật liệu lọc nước có gắn nano bạc, khi các vi khuẩn bị giữ lại trên màng lọc, nano bạc có đủ thời gian giết chết vi khuẩn và hạn chế vi khuẩn phát triển trong lõi lọc, tránh được những nguy cơ mắc bệnh khi sử dụng nước uống. Phương pháp này có những ưu điểm sau: diệt khuẩn tận gốc, hiệu quả cao, hàm lượng thấp, chi phí thấp, thân thiện với môi trường, không tạo ra các hợp chất gây hại cho người sử dụng, không gây ra mùi [11]. Việc sử dụng công nghệ nano cho lọc nước sẽ cho phép người dùng không cần đun nước hay thiết bị phức tạp mà vẫn uống trực tiếp được. 1.4. Giới thiệu về ceramic và nano bạc 1.4.1. Giới thiệu về ceramic Vật liệu ceramic là vật liệu vô cơ phi kim loại (thành phần gồm các vật
27. oxy hoặc không chứa oxy): các khoáng vật silicate, ZrSiO4,... được sản xuất bằng phương pháp nung kết khối ở nhiệt độ cao (gốm sứ) hoặc nấu chảy (thủy tinh). Vật liệu ceramic được sử dụng làm đồ gốm, vật liệu chịu lửa, bê tông, xi măng, vật liệu lọc nước, không khí,.... 1.4.2. Giới thiệu chung về nano bạc a) Khái niệm Nano bạc là những hạt bạc có kích thước nano (1 nm = 10-9 m), gần với kích thước của phân tử bạc, có hiệu ứng bề mặt vô cùng lớn. Không chỉ có ion bạc, mà còn có các ion kim loại khác như Au, Pt và một số kim loại chuyển tiếp khác như Cu, Fe, Co,... cũng có khả năng diệt khuẩn, nhưng chỉ có ion bạc thể hiện tính năng đó mạnh nhất. Nano bạc ngày nay đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của đời sống như y học, nông nghiệp, khử trùng nước uống,...[11, 12, 13]. Các nhà y học cho rằng bạc là một chất kháng khuẩn có độc tính cao đối với hầu hết vi sinh vật [11, 12] mà chúng không có khả năng tạo đề kháng chống lại tác động của nó. b) Cơ chế diệt khuẩn của ion bạc Một số nhà nghiên cứu [13, 14] đã đưa ra một số giả thiết về cơ chế diệt khuẩn của nano bạc thông qua 4 cơ chế sau (hình 1.1): Hình 1.1. Cơ chế diệt khuẩn của nano bạc
28. quá trình vận chuyển các ion Na+ và Сa2+ qua màng tế bào, ngăn cản quá trình trao đổi chất (hình 1.1. A). - Quá trình ôxy hóa nguyên sinh chất của tế bào vi khuẩn hoặc quá trình phá hủy nguyên sinh chất bởi ôxy hòa tan trong nước với vai trò xúc tác của bạc (hình1.1. B). - Tác động gián tiếp lên phân tử ADN bằng cách tăng số lượng các gốc tự do dẫn đến làm giảm hoạt tính của các hợp chất chứa ôxy hoạt động, làm rối loạn các quá trình oxy hóa cũng như phosphoryl hóa trong tế bào vi khuẩn (hình 1.1 C). - Quá trình vô hiệu hóa men có chứa các nhóm –SH và –COOH; phá vỡ cân bằng áp suất thẩm thấu; hoặc tạo phức với axit nucleic dẫn đến thay đổi cấu trúc ADN của tế bào (tác động trực tiếp đến cấu trúc ADN, hình 1.1 D). Tóm lại, cơ chế diệt khuẩn của nano bạc như sau: + Nano bạc phá hủy chức năng hô hấp của tế bào. + Phá hủy chức năng của thành tế bào. + Liên kết với ADN và ức chế chức năng sao chép của chúng. c) Tác dụng của nano bạc Bạc là tồn tại với số lượng lớn trong não, trong nhân tế bào thần kinh, trong các hạch của hệ nội tiết, trong võng mạc mắt và trong xương của cơ thể người. Dung dịch nano bạc đã được thí nghiệm tại Mỹ cũng như ở các phòng thí nghiệm và các trường Đại học nổi tiếng trên thế giới đều cho rằng nano bạc hiệu quả trong việc tiêu diệt các loài vi khuẩn, virut và không gây độc hại đối với tế bào cơ thể [15]. Ủy ban khoa học về thuốc và thiết bị y tế của Mỹ SCMPD (Sci. Committee on Med. Products and Devices) đã cấm sử dụng bạc làm thuốc
29. chỉ được áp dụng tại chỗ trên da hoặc trên niêm mạc. Tuy nhiên, Khối EEC lại cho phép sử dụng kim loại này làm chất tạo màu cho thực phẩm, đồng thời một số sản phẩm thực phẩm chức năng cho phép người sử dụng uống vào người mỗi ngày ≤ 0,03 mg bạc. 1.5. Tình hình nghiên cứu trong nước và thế giới 1.5.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới B. Nagarajan and G.B. Jaiprakashnarain [15] đã tạo polymer có nano bạc bằng cách ngâm tẩm. Nguyên tắc cơ bản của việc ứng dụng phương pháp này là phải có một polymer được thiết kế về mặt hình học, được trộn với các hạt nano bạc, được thực hiện bằng quá trình ép phun. Các thiết kế thủy lực khác nhau của POU (Point of Use Devices) cho chứa nước (hình 1.3). Hình 1.2. Hình dạng lõi lọc và nguyên tắc hoạt động của lõi lọc Hình 1.3. Bộ lọc nước sử dụng một lõi lọc và hai lõi lọc Tỷ lệ khử trùng của thiết bị này phụ thuộc vào sự tiếp xúc giữa nano bạc và vi khuẩn. Phần trên của bộ lọc được làm đầy bằng nước với cột lọc cơ bản và kết hợp với một cột GAC (Granular activated carbon – Than hoạt tính dạng hạt). Nước sẽ từ trên xuống dựa vào lực hấp dẫn và sẽ đi qua nhiều vòng polymer có nano bạc trước khi nước xuống phần chứa nước (hình 1.2, hình 1.3).
30. cs [16] đã thành công chế tạo thủy tinh có gắn nano bạc ở nhiệt độ 500 – 600 °C. Sau khi ủ ở 600 °C trong 45 giờ, sẽ hình thành các hạt nano bạc hình cầu có kích cỡ khoảng 3 – 8 nm. Peter D. P. và cs [17] chỉ ra rằng trong hỗn hợp AgNO3/NaNO3 các ion Ag+ trao đổi ion ở nhiệt đô 330 ± 355 °C hoặc khi thời gian trao đổi trên 90 phút với nhiệt độ trao đổi là 320 °C. Ở nhiệt độ trao đổi là 500 °C, các phân tử nano bạc được hình thành bất kể ở thời gian và nồng độ nào. Ranjana S. Varma và D.C. Kothari [18] đã thương mại hóa các loại thủy tinh được trao đổi ion ở các nhiệt độ khác nhau của hỗn hợp AgNO3 và NaNO3 với tỷ lệ mol 10: 90, 02:98 và 50: 50 trong khoảng 320 đến 500 °C. Ở nhiệt độ trao đổi 500 °C, các hạt nano bạc được hình thành sau khi trao đổi nhiệt. Trong patent của Heinig [19], phương pháp diệt khuẩn trong xử lý nước là cho nước tiếp xúc với bạc trong sự có mặt của oxy để tạo ra một chất oxy hóa hoạt động trong nước. Tác giả đã chế tạo thành công màng lọc cacbon hoạt tính trên đó được phủ ít nhất 2% nano bạc. Zohrab Ahmadi và cs [20] đã tổng hợp và nghiên cứu hình thái của hạt nano Ag/TiO2 và đánh giá khả năng diệt khuẩn của polypropylene - Ag/TiO2. Các đặc trưng của ceramic được đánh giá qua các phương pháp khác nhau như XRD, TEM, SEM. Kết quả phân tích cho thấy các hạt nano bạc phân bố đều và các tinh thể không có sự thay đổi trong cấu trúc TiO2. Hoạt động kháng khuẩn của vật liệu này được nghiên cứu đối với Staphylococcus aureus. Kết quả của nghiên cứu cho thấy khả năng diệt khuẩn sau 10 phút của vật liệu này đạt trên 98%. Anne M. Mikelonis và cs [21] đã nghiên cứu sự thay đổi trong phương thức tổng hợp các hạt nano bạc đến sự phát tán bạc lên bộ lọc nước bằng gốm
31. đánh giá hiệu quả khử trùng. Nano bạc được sử dụng chất ổn định bằng các chất khác nhau: citrate, polyvinylpyrrolidone, polyethylenimine nhánh và casein. Hình 1.4. Bộ lọc nước bằng gốm và thùng chứa nước sau lọc Nhìn chung, đánh giá hiệu quả loại bỏ vi khuẩn thì các hạt nano bạc sử dụng polyethylenimine nhánh làm chất ổn định thì hiệu quả rõ ràng hơn so với các chất còn lại. James A. Smith và Dianjun Ren [22] đã nghiên cứu thành công việc gắn nano bạc trong ceramic xốp bằng cách nung ở nhiệt độ 900o C trong 3 giờ (hình 1.5). Hình 1.5. Đĩa lọc bằng gốm Nano bạc được đưa trực tiếp vào ceramic trong quá trình chế tạo bằng cách sử dụng phương pháp quét, ngâm hoặc nung. Kết quả cho thấy tỷ lệ Ag-NPs bị giữ lại trong ceramic xốp dao động khoảng 13  100%. Khả năng bị phôi của nano bạc giảm với cường độ ion tăng đối với mọi trường hợp và ở mức độ thấp hơn khi đường kính hạt nano tăng. Các hạt nano bạc có thành phần citrate ít phôi ra hơn so với các hạt có protein hóa. Đối với các đĩa gốm được chế tạo bằng phương pháp quét, ngâm thì sự phóng thích đáng kể các hạt nano
32. so với phương pháp nung (các hạt nano được kết hợp với đất sét, nước,... trước khi nung). Kết quả cho thấy phương pháp nung có thể là một cải tiến cho thiết kế bộ lọc bằng gốm. Hong Liu và cs [23] đã nghiên cứu thành công việc tổng hợp ceramic xốp bằng cách sử dụng 3-aminopropyltriethoxysilane (APTES) làm phân tử kết nối (hình 1.6). Hình 1.6. Sự kết hợp giữa hạt nano bạc và gốm Sự kết nối giữa hạt nano bạc và gốm dựa vào các liên kết giữa nhóm –NH2 ở trên cùng của phân tử APTES và các nguyên tử bạc trên bề mặt của các hạt nano bạc. Đầu kia của tác nhân ghép aminosilane gắn với các nguyên tử silic trong gốm thông qua một liên kết Si-O-Si. Hình 1.7. Gốm xốp không gắn nano bạc (hình a) và có gắn nano bạc (hình b) Không có sự mất mát rõ ràng của các hạt nano sau khi ngâm trong dung dịch siêu âm trong 15 phút, hoặc sau khi giữ gốm lọc xử lý trong vài tuần trong môi trường khí quyển. Ở tốc độ dòng chảy 0,01 L/phút, không có sự xuất hiện của E.coli khi nước có lượng vi khuẩn khoảng 105 CFU/mL. Kết quả phân tích cho thấy các hạt nano bạc được lưu trữ trong thời gian dài, có độ bền cao ngay cả với việc siêu âm, chi phí thấp sản xuất thấp và hiệu quả diệt khuẩn cao.
33. lượng của TPA và nano bạc bị phôi vào nước theo thời gian Hình 1.9. Khả năng diệt khuẩn của thiết bị lọc gốm gắn TPA và nano bạc Hongyin Zhang, Vinka Oyanedel-Craver [24] đã so sánh hiệu quả khử trùng của thiết bị lọc nước bằng gốm bằng việc ngâm vào hai hợp chất kháng khuẩn là nano bạc và TPA. Kết quả cho thấy khoảng 3% tổng khối lượng của TPA bị phôi vào nước thải trong thời gian hơn 300 phút, còn nano bạc là 4% (hình 1.8) và khả năng diệt khuẩn của thiết bị lọc gốm gắn TPA cao hơn khoảng 2 lần so với nano bạc (hình 1.9). Tuy nhiên, độc tính của TPA cần được đánh giá trước khi ứng dụng vào các bộ lọc nước bằng gốm. Angela R. Bielefeldt và cs [25] đã nghiên cứu sự ảnh hưởng của clo và các thông số khác của nước đến sự phân bố nano bạc trên bề mặt gốm cho thấy với nồng độ của natri clorua và vi khuẩn cao là nguyên nhân phát tán bạc nhanh chóng. Natri hypoclorit loại bỏ đến 85% bạc trên bề mặt silica trong vòng 3 giờ. Ở đây, nhóm tác giả đã tạo ra các hạt nano bạc với hỗn hợp casein (C47H48N3O7S2Na) và protein. Clo được cho thêm vào như natri hypoclorit, chúng sẽ nhanh chóng loại bỏ bạc ở dạng hạt nano hoặc các hạt nano bạc trên bề mặt silica kể cả trong nước uống và thuốc tẩy. Do đó, bộ lọc gốm sứ (CPFs - ceramic pot filters) tránh tiếp xúc với dung dịch clo. Van Halem D. [26] đã nghiên cứu thành công việc ngâm tẩm bạc vào
34. dùng để xử lý nước ăn uống cho các hộ gia đình ở các nước đang phát triển. Tại Campuchia [1], bộ lọc gốm xốp tẩm nano bạc được đưa vào áp dụng cho người dân (hình 1.10) với những đặc điểm sau: - Vật liệu gốm đáp ứng tốc độ lọc. - Bạc hoạt động như một chất diệt khuẩn. - Bộ lọc được đặt trong thùng nhựa có van khóa, mở nước sau khi lọc. Hình 1.10. Hệ thống lọc nước bằng gốm Kết quả kiểm tra hệ lọc nước bằng gốm về khả năng diệt khuẩn cho thấy bộ lọc nước bằng gốm xốp diệt 100% E.coli. Cấu tạo tạo Lifestraw (hình 1.11): Màng lọc bằng vải không dệt dùng loại bỏ bụi và các tạp chất có trong nước. Bộ lọc cacbon dùng để loại bỏ clo, trầm tích, hợp chất hữu cơ, khử mùi vị,… Màng lọc nano dùng để loại bỏ vi sinh vật. Loại bỏ độ đục bằng cách lọc các hạt bụi lớn hơn 0,02 microns. Hình 1.11. Dụng cụ lọc cá nhân Lifestraw
35. nghiên cứu trong nước N.T.P.Phong và cs [27] đã nghiên cứu chế tạo thành công vật liệu mút xốp polyurethan mang các hạt nano bạc sử dụng trong việc lọc nước uống nhiễm khuẩn. Polyurethan được ngâm trong dung dịch nano bạc (có kích thước hạt từ 6 đến 12 nm) trong 10 giờ. Các phương pháp phân tích (như TEM, FE-SEM, ICP-AA) cho thấy các hạt nano bạc bám chắc vào trong nền polyurethane. Kết quả cho thấy các vi khuẩn E.coli, Coliforms, B. Subtillis bị tiêu diệt hoàn toàn và phân tích không phát hiện bạc trong nguồn nước, nước được xác nhận là uống được Trần Quang Vinh và cs [28] đã nghiên cứu chế tạo vật liệu có thành phần nano bạc được cấy trên các chất mang như zeolit, than hoạt tính. Vật liệu nano Ag/Sứ xốp đã được chế tạo bằng phương pháp đưa nano bạc kim loại lên vật liệu mang qua tương tác với các nhóm chức amin trên bề mặt sứ xốp. Hàm lượng bạc đưa lên mẫu sứ xốp đạt 0,085% khối lượng. Các vật liệu này có khả năng diệt E.coli trên 80% với nồng độ khuẩn ban đầu 105 CFU/ml, trong thời gian tiếp xúc 10 phút. Khả năng diệt khuẩn của vật liệu nano Ag/Sứ xốp và Ag/Than hoạt tính thì các vật liệu chứa nano bạc với chất mang có bản chất là zeolit ZSM-5 như Ag/ZSM-5, Ag-ZSM-5/MCM-41 có khả năng diệt khuẩn E.coli tốt hơn ngay ở mẫu hàm lượng bạc dưới 0,3%. Các vật liệu này có khả năng diệt khuẩn trên 99% ở nồng độ khuẩn đầu vào105 -106 CFU/ml chỉ sau 10 phút tiếp xúc. Bùi Duy Du và cs [29] đã nghiên cứu chế tạo vật liệu polyuretan tẩm nano bạc dùng lọc nước bằng cách khử ion Ag trên bề mặt tấm PU qua chiếu xạ Gamma Co-60. Trần Thị Ngọc Dung và cs [11, 30] đã nghiên cứu thành công việc tạo xốp cho màng gốm lọc nước có phủ nano bạc. Màng lọc chế tạo được có tổng độ xốp đạt 64% cao hơn 2 lần và diện tích bề mặt riêng theo BET đạt 3,9 m2 /g
36. lần so với màng lọc loại này của nước ngoài sản xuất. Trần Thị Ngọc Dung và cs [31] đã nghiên cứu thành công việc tráng nano bạc và nano cacbon lên bề mặt vật liệu gốm xốp được sử dụng cho việc làm sạch nước. Trần Thị Ngọc Dung và cs [11, 32, 33] đã nghiên cứu thành công việc gắn nano bạc lên màng gốm xốp bằng phương pháp khử in-situ, đây là phương pháp gắn nano bạc lên màng bằng cách khử trực tiếp trong quá trình nung. Phương pháp này sử dụng than hoạt tính vừa làm chất độn tạo xốp, vừa là chất phân tán muối bạc và đồng thời khử muối bạc về dạng bạc nano. Hình 1.12. Màng gốm lọc nước có phủ nano bạc Hình 1.13. Bộ dụng cụ lọc nước ceramic xốp cố định nano bạc Bộ dụng cụ lọc nước ceramic xốp cố định nano bạc từ vật liệu chế tạo được có khả năng loại bỏ hoàn toàn vi khuẩn E.coli và Coliforms trong nguồn nước (đã được tiền xử lý keo tụ hoặc lọc cát) với thời gian lọc kéo dài tới 10 tuần. Đề tài còn sử dụng nano cacbon để tăng khả năng hấp phụ các chất độc hại trong nước của dụng cụ lọc. Phương pháp này có tính ứng dụng cao, vật liệu lọc tạo ra có những ưu điểm nổi bật như: - Do muối bạc được phân tán trên than hoạt tính trước khi phối trộn nên bạc được phân tán đều trên khắp bề mặt kênh xốp của vật liệu lọc. - Ngoài nano bạc còn tạo ra được trên vật liệu các oxit bạc hóa trị cao có khả năng diệt khuẩn mạnh.
37. bạc trôi ra theo nước trong quá trình lọc từ 16 đến 19 lần so với khi quét trực tiếp nano bạc lên màng. - Nhờ lượng bạc thôi ra thấp nên tuổi thọ của màng lọc cao. - Chi phí sản xuất thấp. - Có thể tạo hình vật liệu lọc theo nhiều dạng khác nhau như màng lọc, dạng hạt,… tuỳ theo nhu cầu sử dụng. Nguyễn Đức Hùng và cs [34] đã chế tạo thành công màng gốm xốp từ cao lanh và than hoạt tính từ gỗ được nung ở nhiệt độ 1000 o C đến 1100 o C đạt độ xốp 47 – 70%. Hình 1.14. Màng lọc gốm xốp chế tạo tại Bình Định Màng lọc gốm xốp được phủ nano bạc bằng phương pháp quét. Các màng lọc được phủ nano bạc chế tạo bằng phương pháp hóa học có khả năng diệt Coliforms ít nhất là hơn 8 lần lọc, trong khi nano bạc được chế tạo bằng phương pháp điện hóa DC cao áp có thể lọc được nhiều hơn đến 40 – 48 lần. Qua các tài liệu trên có thể thấy vấn đề tiếp cận đối với người dân tại các vùng xa và lũ lụt có thể giải quyết được bằng cách cung cấp thiết bị lọc sử dụng vật liệu ceramic gắn nano bạc. Để gắn nano bạc lên màng lọc ceramic xốp có thể sử dụng hai cách khác nhau: phủ nano bạc lên màng bằng cách quét, ngâm sau khi màng được chế tạo và cố định nano bạc lên màng trong quá trình nung hỗn hợp tạo gốm xốp.
38. nhất màng ceramic xốp sau khi chế tạo được sẽ phủ 1 tới 2 lớp dung dịch nano bạc cả bên trong lẫn bên ngoài thành màng lọc. Dung dịch nano bạc sử dụng là loại được chế tạo bằng phương pháp hóa học hoặc điện hóa cao áp. Ở cách thứ hai, muối bạc AgNO3/NaNO3 được phối trộn với cao lanh hay silicat ngay từ đầu. Trong quá trình nung, dưới tác động của nhiệt độ dao động 320 o C  355 o C, sẽ xảy ra quá trình trao đổi ion với các oxit kim loại có trong thành phần cao lanh hay silicat như Na2O, Al2O3, SiO2,… để tạo ra tâm ion bạc. Quá trình hình thành nano bạc từ các tâm này sẽ diễn ra khi nhiệt độ ở 500 o C, cụ thể là 40 - 180 phút; ủ khoảng 500 - 600 o C trong 45 giờ [16, 17, 18] - phương pháp này được gọi là phương pháp trao đổi ion hay khử in-situ. Hiện nay, hầu hết các thiết bị lọc nước trên thế giới và trong nước đều sử dụng màng lọc bằng ceramic được phủ nano bạc dùng cho hộ gia đình với khả năng diệt khuẩn cao.
39. TƯỢNG, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2.1.1. Đối tượng nghiên cứu - Chế tạo vật liệu ceramic xốp gắn nano bạc dạng hạt lọc bằng phương pháp khử in-situ. - Xử lý nước bằng vật liệu ceramic xốp gắn nano bạc chế tạo được. 2.1.2. Phương pháp nghiên cứu a) Phạm vi nghiên cứu - Về địa điểm: Luận văn được thực hiện tại Phòng Công nghệ thân môi trường – Viện Công nghệ môi trường – Viện HL KH&CNVN b) Phương pháp nghiên cứu Phương pháp tổng quan tài liệu - Thu thập tài liệu các công trình công bố, số liệu thống kê qua mạng internet và các nguồn khác gồm các báo cáo, đề tài nghiên cứu và các thông tin liên quan tới vật liệu nghiên cứu. Việc thu thập đầy đủ các số liệu, thông tin không chỉ là cơ sở cho tổng quan nội dung nghiên cứu mà còn giúp tiến hành nghiên cứu thuận lợi cũng như định hướng những nội dung cần làm rõ trong đề tài. - Phân tích và tổng hợp tài liệu nhằm nghiên cứu và xem xét lại những thành quả thực tiễn trong quá khứ để rút ra kết luận bổ ích cho thực tiễn và khoa học. Phương pháp thực nghiệm - Chế tạo vật liệu lọc ceramic xốp gắn nano bạc dạng hạt bằng phương pháp nung trong điều kiện khử. - Xác định, phân tích cấu trúc và đặc trưng tính chất của vật liệu nhằm đánh
40. và sự phân bố các hạt nano bạc qua các phép đo BET, DTG- TG, SEM, XRD, XRF. - Sử dụng các phương pháp nuôi cấy vi sinh trong phòng thí nghiệm để đánh giá khả năng diệt khuẩn của vật liệu lọc mang nano bạc cũng như dụng cụ lọc nước bằng vật liệu ceramic gắn nano bạc. - Xử lý kết quả thu được bằng phương pháp định lượng với công cụ phần mềm excel để lập các biểu đồ, đồ thị, rút ra các nhận xét và kết luận cho nghiên cứu. - Tính toán, thiết kế bộ dụng cụ lọc nước uống cá nhân sử dụng vật liệu lọc chế tạo được. 2.2. Hóa chất, dụng cụ và thiết bị 2.2.1. Hóa chất Các hóa chất có độ tinh khiết cao được sử dụng trong luận văn là muối AgNO3 (Merck), HNO3 (Trung Quốc), cồn (Việt Nam). Các vật liệu: Vật liệu lọc ceramic được tạo thành chủ yếu từ cao lanh Tựu Lạc và đất sét Trúc Thôn. Thành phần chính của cao lanh Tựu Lạc và đất sét Trúc Thôn được trình bày tại bảng 2.1 dưới đây: Bảng 2.1. Thành phần lý hóa trong cao lanh và đất sét [11] % Khối lượng Đất sét Trúc Thôn Cao lanh Tựu Lạc Al2O3 24,6 30,5 Fe2O3 1,5 1,25 SiO2 58,6 51,5
41.

Phản ứng hóa học trong chế tạo vật liệu ceramic năm 2024

Bài Viết Liên Quan

Quảng Cáo

Có thể bạn quan tâm

Toplist được quan tâm

Quảng cáo

Xem Nhiều

Quảng cáo

Chúng tôi

Điều khoản

Trợ giúp

Mạng xã hội