nghiên cứu chế tạo lớp phim tio2 và ứng dụng trong xử lý nước nhiễm phenol và vi sinh vật

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LỚP PHIM TIO2
VÀ ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ NƯỚC
NHIỄM PHENOL VÀ VI SINH VẬT
S

K

C

0

0

3

9

5

9

MÃ SỐ: T75 - 2008

S KC 0 0 2 1 0 8

Tp. Hồ Chí Minh, 2009


NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LỚP PHIM TIO2 & ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ PHENOL & VSV

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM
--------------------------

BÁO CÁO KHOA HỌC

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LỚP PHIM TIO2
VÀ ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ NƯỚC
NHIỄM PHENOL VÀ VI SINH VẬT
MÃ SỐ: T75 – 2008

Chủ nhiệm đề tài: NGUYỄN QUỲNH MAI
Đơn vị: Khoa CNHH & TP

TPHCM, 05/2009

MS: T75-2008
TH: Nguyễn Quỳnh Mai

1


NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LỚP PHIM TIO2 & ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ PHENOL & VSV

MỤC LỤC

MỤC LỤC .................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1.MỞ ĐẦU ................................................................................................ 4
1.1 SỰ CẦN THIẾT THỰC HIỆN NGHIÊN CỨU ................................................................ 4
1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU ............................................................................................... 5
1.3 MỤC ĐÍCH VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU................................................................... 5
1.4 TÍNH MỚI, Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA NGHIÊN CỨU................. 6
1.4.1 Tính mới của đề tài ................................................................................................. 6
1.4.2. Ý nghĩa khoa học của đề tài................................................................................... 6
1.4.3. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài ................................................................................... 6

CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ CHẤT XÚC TÁC QUANG TiO2 ........................ 7
2.1. GIỚI THIỆU MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA TiO2 ............................................................. 7
2.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ QUÁ TRÌNH QUANG XÚC TÁC TRÊN TiO2 ..................... 9
2.2.1Giới thiệu về gốc tự do Hydroxyl *OH ................................................................ 9
2.2.2 Nguyên lý của quá trình quang xúc tác trên TiO2............................................... 11
2.3. GIỚI THIỆU VỀ PHƯƠNG PHÁP SOL-GEL .............................................................. 11
2.3.1 Quá trình sol-gel ................................................................................................ 11
2.3.2 Ưu và nhược điểm ............................................................................................. 17

CHƯƠNG 3. TỔNG QUAN VỀ PHENOL VÀ TÌNH TRẠNG Ô NHIỄM PHENOL
TRONG NƯỚC ......................................................................................................... 18
3.1. GIỚI THIỆU VỀ PHENOL ............................................................................................ 18
3.1.1 Cấu tạo và tính chất của phenol ......................................................................... 18
3.1.2 Độc tính của phenol .................................................................................... 18
3.1.3 Nguồn gốc ô nhiễm phenol trong nước ............................................................. 19
3.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ PHENOL TRONG NƯỚC .......................................... 19
3.2.1. Hấp phụ bằng than hoạt tính ............................................................................... 19
3.2.2. Xử lý bằng các tác nhân oxy hóa mạnh .............................................................. 19

CHƯƠNG 4. TỔNG QUAN VỀ VI SINH VẬT VÀ TÌNH TRẠNG Ô NHIỄM VI

SINH VẬT TRONG NƯỚC ..................................................................................... 20
4.1 KHÁI QUÁT VỀ CÁC VI SINH VẬT CÓ TRONG NGUỒN NƯỚC .......................... 20

MS: T75-2008
TH: Nguyễn Quỳnh Mai

2


NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LỚP PHIM TIO2 & ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ PHENOL & VSV

4.1.1 Vi khuẩn ............................................................................................................... 20
4.1.2 Virus..................................................................................................................... 21
4.1.3 Protozoa ............................................................................................................... 21
4.1.4. Các loại vi sinh vật gây bùng phát bệnh qua đường nước .................................. 21
4.2 KHÁI QUÁT CÁC PHƯƠNG PHÁP KHỬ TRÙNG NƯỚC ĐANG ĐƯỢC ỨNG DỤNG
4.2.1 Phương pháp lý học.............................................................................................. 23
4.2.2 Phương pháp hóa học........................................................................................... 25

CHƯƠNG 5 THỰC NGHIỆM................................................................................. 28
5.1. THÍ NGHIỆM ĐIỀU CHẾ SOL-GEL TIO2 ................................................................... 28
5.1.1. Hoá chất thí nghiệm ............................................................................................ 28
5.1.2. Dụng cụ thí nghiệm.............................................................................................. 28
5.1.3. Quy trình thí nghiệm............................................................................................ 29
5.2. THÍ NGHIỆM ĐÁNH GIÁ HOẠT TÍNH XÚC TÁC QUANG CỦA TiO2 LÊN PHENOL
5.2.1. Hoá chất thí nghiệm ............................................................................................. 32
5.2.2. Dụng cụ và mô hình thí nghiệm........................................................................... 32
5.2.3. Quy trình thí nghiệm và thu mẫu phân tích ......................................................... 33
5.3. THÍ NGHIỆM ĐÁNH GIÁ HOẠT TÍNH KHỬ TRÙNG CỦA TIO2 LÊN VI KHUẨN ECOLI....................................................................................................................................... 34
5.3.1. Mô hình và dụng cụ thí nghiệm .......................................................................... 34

5.3.2. Quy trình thí nghiệm và thu mẫu phân tích ........................................................ 35

CHƯƠNG 6. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN............................................................... 36
6.1. KẾT QUẢ ĐIỀU CHẾ VẬT LIỆU XÚC TÁC QUANG ............................................... 36
6.1.1 Vật liệu dạng bột................................................................................................... 36
6.1.2 Vật liệu dạng màng mỏng ..................................................................................... 37
6.2. HIỆU QUẢ XỬ LÝ CỦA LỚP PHIM TIO2 ĐỐI VỚI PHENOL.................................. 40
6.2.1 Hiệu quả xử lý dưới điều kiện chiếu tia UV-A..................................................... 40
6.2.2. Hiệu quả xử lý dưới điều kiện ánh sáng mặt trời tự nhiên................................... 41
6.3. HIỆU QUẢ XỬ LÝ CỦA LỚP PHIM TIO2 ĐỐI VỚI VI KHUẨN E-COLI................ 42
6.3.1 Hiệu quả xử lý dưới điều kiện chiếu tia UV-A .................................................... 42
6.3.2 Hiệu quả xử lý dưới điều kiện ánh sáng mặt trời tự nhiên................................... 43

MS: T75-2008
TH: Nguyễn Quỳnh Mai

3


NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LỚP PHIM TIO2 & ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ PHENOL & VSV

6.4. KHẢO SÁT ĐỘ BỀN ĐỐI VỚI LỚP MÀNG PHỦ ...................................................... 44
6.4.1 Đánh giá độ bền bằng phương pháp khối lượng .................................................. 44
6.4.2 Đánh giá độ bền thông qua hiệu quả xử lý........................................................... 45

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................... 47
TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................... 48

MS: T75-2008
TH: Nguyễn Quỳnh Mai

4


NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LỚP PHIM TIO2 & ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ PHENOL & VSV

CHƯƠNG 1

MỞ ĐẦU

1.1.

SỰ CẦN THIẾT THỰC HIỆN NGHIÊN CỨU

Giống như nước và không khí, ánh sáng cũng cần cho cuộc sống. Ánh sáng là một dạng
năng lượng sóng. Chúng ta nhận được nhiều lợi ích từ ánh sáng, bất cứ nơi đâu, bất cứ khi nào.
Ánh sáng giúp sinh vật phát triển, ánh sáng giúp con người nhìn rõ được mọi vật xung quanh…
Không có ánh sáng, sự sống sẽ không tồn tại. Công nghệ xúc tác quang ra đời dựa trên nền tảng
và nhu cầu sử dụng năng lượng ánh sáng một cách hiệu quả và toàn diện hơn. Việc phát triển
công nghệ xúc tác quang thay đổi quan niệm con người về việc “làm sạch”. Điều đó dự đoán cho
sự phát triển một khái niệm mới trong tương lai gần, khái niệm “làm sạch bằng ánh sáng” – light
cleaning – cleaning with light. Hai yếu tố quan trọng của light cleaning là nguồn UV và chất xúc
tác quang, điển hình là TiO2.
Những nghiên cứu khoa học về vật liệu nano TiO2 với vai trò là một chất xúc tác quang đã được
bắt đầu hơn ba thập kỷ nay từ một phát minh của hai nhà khoa học người Nhật, Fujishima và
Honda vào năm 1972 trong việc phân hủy nước bằng phương pháp điện hóa quang với chất xúc
tác TiO2. Sau khi phát minh này được công bố trên tạp chí khoa học danh tiếng Nature, hàng loạt
những công trình khoa học về việc sử dụng chất xúc tác quang trong việc phân hủy nước tạo khí
hydro và xử lý ô nhiễm môi trường đã được công bố. Hiện nay những lĩnh vực nghiên cứu và ứng
dụng chính của vật liệu TiO2 với vai trò là một chất xúc tác quang có thể kể đến là: quá trình tự

làm sạch, diệt khuẩn, virus và nấm mốc, khử mùi độc hại để làm sạch không khí, xử lý nước
nhiễm bẩn, chống tạo sương mù trên lớp kính và tiêu diệt những tế bào ung thư. Nhật Bản, Hàn
Quốc, các nước EU, Mỹ đã tiến hành thương mại hóa TiO2 và các sản phẩm ứng dụng của TiO2
từ lâu. Đây là một ngành đầy hấp dẫn và tiềm năng nhưng điểm hạn chế làm cản trở làm phát
triển công nghiệp TiO2 là các quốc gia này phần lớn nằm tại vùng ôn đới, lượng chiếu sáng của
mặt trời hàng năm rất thấp và phải sử dụng nguồn sáng nhân tạo thay nguồn sáng tự nhiên.
Khác với những nước đã thương mại hóa vật liệu xúc tác quang TiO2, Việt Nam nằm trong vùng
nhiệt đới cận xích đạo với thời lượng chiếu sáng hàng năm của mặt trời rất cao (khoảng hơn 2 lần
so với các nước kể trên) nên tiềm năng ứng dụng vật liệu xúc tác quang TiO2 ở nước ta là rất lớn.
Tuy nhiên, do sự quan tâm và đầu tư nghiên cứu của những nhà khoa học Việt Nam vào lĩnh vực

MS: T75-2008
TH: Nguyễn Quỳnh Mai

5


NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LỚP PHIM TIO2 & ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ PHENOL & VSV

này còn chưa đủ lớn để có thể đưa công nghệ ứng dụng vật liệu nano TiO2 vào thực tiễn. Phần
lớn những đề tài nghiên cứu và một số ứng dụng thực tế của vật liệu TiO2 chỉ dừng lại ở việc sử
dụng vật liệu TiO2 dạng bột được sản xuất ở nước ngoài. Đây chính là một trong những nguyên
nhân chính làm hạn chế việc thương mại hóa công nghệ ứng dụng vật liệu nano TiO2 ở Việt Nam
do quá trình tái sử dụng vật liệu là một thách thức lớn. Chính từ những thực tế đó, với mong
muốn nghiên cứu điều chế ra các sản phẩm TiO2 có hoạt tính xúc tác quang cao và có thể tái sử
dụng, tôi đã mạnh dạn lựa chọn đề tài nghiên cứu “Nghiên cứu chế tạo lớp phim TiO2 và ứng
dụng trong xử lý nước nhiễm phenol và vi sinh vật”.

1.2.

1.3.

MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
ƒ

Nghiên cứu điều chế sol-gel TiO2

ƒ

Nghiên cứu điều chế lớp phim xúc tác quang TiO2 phủ trên vật mang.

ƒ

Đánh giá khả năng xử lý phenol và vi sinh vật trong nước nhờ quá trình xúc tác quang
sử dụng vật liệu TiO2 ở dạng lớp phim mỏng dưới điều kiện chiếu tia UV và ánh sáng
mặt trời tự nhiên.

MỤC ĐÍCH VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Đề tài nghiên cứu khoa học “Nghiên cứu chế tạo lớp phim TiO2 và ứng dụng trong xử

lý nước nhiễm phenol và vi sinh vật” tập trung vào hai nội dung nghiên cứu điều chế vật liệu
xúc tác quang TiO2 dạng phim mỏng và nghiên cứu khảo sát hoạt tính oxy hóa của các loại vật
liệu này trên vi sinh vật được lựa chọn là vi khuẩn E. coli và phenol.
Đề tài được tiến hành với các nội dung cụ thể như sau:
-

Điều chế vật liệu xúc tác dựa trên TiO2.

-

Khảo sát hoạt tính oxy hóa của chất xúc tác quang trên phenol dưới ánh sáng đèn UV
và ánh sáng mặ trời.

-

Khảo sát hoạt tính khử trùng của chất xúc tác quang trên vi khuẩn E. coli ánh sáng
đèn UV và ánh sáng mặt trời.

MS: T75-2008
TH: Nguyễn Quỳnh Mai

6


NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LỚP PHIM TIO2 & ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ PHENOL & VSV

1.4.

TÍNH MỚI, Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA NGHIÊN CỨU

1.4.1. Tính mới của đề tài
Hiện nay, tại Việt Nam, các công trình nghiên cứu về TiO2 chỉ ở giai đoạn bước đầu, còn
rất hạn chế về số lượng và khả năng áp dụng vào thực tế. Chính vì vậy, việc lựa chọn hướng
nghiên cứu của đề tài là mới và cần thiết.
Trong công trình nghiên cứu, chúng tôi lần đầu tiên ứng dụng quá trình quang xúc tác
trên cơ sở vật liệu TiO2 để xử lý nước bị ô nhiễm phenol và vi sinh vật nhằm giải quyết vấn đề ô
nhiễm môi trường.
1.4.2. Ý nghĩa khoa học của đề tài
Đánh giá được hiệu quả của quá trình quang xúc tác xử lý phenol của các mẫu vật liệu
trong điều kiện chiếu tia UV-A và sử dụng ánh sáng mặt trời tự nhiên.

1.4.3. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Hiện nay, xu thế sử dụng các vật liệu có kích thước nano nói chung và vật liệu TiO2 nói
riêng đang ngày càng trở nên phổ biến, đem lại nhiều hiệu quả to lớn trong ngành khoa học vật
liệu, môi trường và y tế… Chính vì vậy, việc nghiên cứu quá trình điều chế các vật liệu TiO2 là
hết sức cần thiết. Đặc biệt đối với Việt Nam là một nước có trữ lượng titan sa khoáng khá lớn
nhưng hiện nay chủ yếu được khai thác và xuất khẩu dưới dạng thô, gây lãng phí nguồn tài
nguyên thiên nhiên. Vì vậy, kết quả nghiên cứu của đề tài có thể đóng góp một phần nhỏ vào quá
trình triển khai ứng dụng vào thực tiễn sản xuất các sản phẩm trên quy mô công nghiệp.
Nội dung của đề tài bao gồm việc khảo sát ứng dụng chất xúc tác quang TiO2 dạng lớp
màng mỏng được phủ lên giá thể để xử lý phenol và vi sinh vật trong nước. Với kết quả nghiên
cứu được của đề tài có thể làm cơ sở cho việc triển khai các mô hình xử lý vào thực tế cho một số
nguồn nước bị ô nhiễm cụ thể.

MS: T75-2008
TH: Nguyễn Quỳnh Mai

7


NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LỚP PHIM TIO2 & ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ PHENOL & VSV

CHƯƠNG 2

TỔNG QUAN
VỀ CHẤT XÚC TÁC QUANG TiO2
2.1.

GIỚI THIỆU MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA TiO2

Hợp chất TiO2 ngày càng đóng vai trò quan trọng trong đời sống và sản xuất. Nó được sử

dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau, từ việc tạo màu trong sơn, mỹ phẩm cho đến ngành thực
phẩm. Đặc biệt trong vài thập kỷ gần đây người ta nghiên cứu mạnh mẽ về khả năng xúc tác
quang của TiO2 ứng dụng trong lĩnh vực xử lý môi trường.
TiO2 là chất bán dẫn tồn tại ở 3 dạng cơ bản sau: Rutile, Anatase và Brookite.

Rutile: là trạng thái tinh thể bền của TiO2, pha rutile có mức năng lượng miền cấm là 3,02
eV. Rutile là pha có độ xếp chặt cao nhất so với 2 pha còn lại, khối lượng riêng 4,2 g/cm3. Rutile
có kiểu mạng Bravais tứ phương với các hình bát diện xếp tiếp xúc nhau ở các đỉnh.

Anatase: là pha có hoạt tính quang hóa mạnh nhất trong 3 pha. Anatase có mức năng
lượng miền cấm là 3,23 eV và khối lượng riêng 3,9 g/cm3. Anatase cũng có kiểu mạng Bravais tứ
phương như rutile nhưng các hình bát diện xếp tiếp xúc cạnh với nhau và trục c của tinh thể bị
kéo dài.
TiO2 dạng anatase có thể chuyển hoá thành TiO2 dạng rutile ở các điều kiện nhiệt độ phản
ứng thích hợp. Tuy nhiên, theo các nghiên cứu của Levin và McMurdie, có thể chuyển hoá TiO2
dạng anatase sang dạng rutile trong khoảng nhiệt độ từ 400-1000oC; tuỳ thuộc vào điều kiện và
thiết bị phản ứng.

Brookite: có hoạt tính quang hoá rất yếu. Brookite có mức năng lượng miền cấm là 3,4
eV, khối lượng riêng 4,1 g/cm3 (Hình 1.3).
Trong thực tế, pha tinh thể brookite của TiO2 rất ít gặp nền thường ít được đề cập trong
các nghiên cứu và ứng dụng.

MS: T75-2008
TH: Nguyễn Quỳnh Mai

8


NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LỚP PHIM TIO2 & ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ PHENOL & VSV

Bảng 2.1. Một số tính chất vật lý của TiO2 dạng anatase và rutile
TT

Tính chất vật lý

Anatase

Rutile

Tứ phương

Tứ phương

1

Cấu trúc tinh thể

2

Nhiệt độ nóng chảy (0C)

1800

1850

3

Khối lượng riêng (g/cm3)

3.84

4.20

4

Độ cứng Mohs

5.5-6.0

6.0-7.0

5

Chỉ số khúc xạ

2.54

2.75

6

Hằng số điện môi

31

114

7

Nhiệt dung riêng (cal/mol.0C)

12.96

13.2

8

Mức năng lượng vùng cấm (eV)

3.25

3.05

TiO2 ở dạng có kích thước micromet rất bền về hoá học, không tan trong các acid. Tuy
nhiên, khi đưa TiO2 về dạng kích thước nanomet, TiO2 có thể tham gia một số phản ứng với axit
và kiềm mạnh.
Các dạng oxit, hydroxit và các hợp chất của Ti(IV) đều có tính lưỡng tính.
TiO2 có một số tính chất ưu việt thích hợp dùng làm chất xúc tác quang:
•

Hấp thụ ánh sáng trong vùng tử ngoại, cho ánh sáng trong vùng hồng ngoại và khả
kiến truyền qua.

•

Là vật liệu có độ xốp cao vì vậy tăng cường khả năng xúc tác bề mặt (theo một số
tài liệu tăng khoảng 1000 lần).

•

Ái lực bề mặt TiO2 đối với các phân tử rất cao do đó dễ dàng phủ lớp TiO2 lên các
loại đế với độ bám dính rất tốt.

•

Giá thành thấp, dễ sản xuất với số lượng lớn, trơ hoá học, không độc, thân thiện
với môi trường và có khả năng tương hợp sinh học cao.

MS: T75-2008
TH: Nguyễn Quỳnh Mai

9


NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LỚP PHIM TIO2 & ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ PHENOL & VSV

2.2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ QUÁ TRÌNH QUANG XÚC TÁC TRÊN TiO2

2.2.1. Giới thiệu về gốc tự do Hydroxyl *OH
Hiện nay, trong công nghệ xử lý môi trường, người ta ứng dụng ngày càng nhiều các quá
trình oxy hoá nâng cao (Advanced Oxidation Processes - AOP); bản chất của quá trình là tạo ra
các gốc tự do *OH để oxy hoá các chất hữu cơ trong môi trường nước. Gốc tự do *OH là một tác
nhân oxy hoá rất mạnh, không chọn lọc và có khả năng oxy hoá nhanh chóng hầu hết các chất
hữu cơ. Thế oxy hoá của gốc tự do *OH được so sánh với thế oxy hoá của các chất oxy hoá
truyền thống thường sử dụng trong lĩnh vực môi trường tại bảng 2.1.
Bảng 2.1. Thế oxy hoá của một số chất oxy hoá
Chất oxy hoá

Thế oxy hoá (V)

Iod
Brom
Clo
Hypoiodic axit
Hypocloric axit
Clo dioxyt
Permanganat
Gốc tự do pehydroxyl HO2.
Hydro peroxyt
Ozon
Oxy nguyên tử
Gốc tự do .OH
Lỗ trống mang điện tích dương trên TiO2 (h+)

0,54
1,09
1,36
1,45
1,49
1,57
1,68
1,70
1,78
2,07
2,42
2,80
3,20

Qua bảng 2.1 cho thấy gốc tự do *OH có thế oxy hoá rất cao. Hơn thế nữa, gốc tự do *OH
có khả năng phản ứng với các chất hữu cơ với tốc độ nhanh hơn từ hàng triệu tới hàng chục tỷ lần
so với các chất oxy hoá vẫn được coi là mạnh nhất trong công nghệ xử lý nước như Ozon (Bảng
2.2).

MS: T75-2008
TH: Nguyễn Quỳnh Mai

10


NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LỚP PHIM TIO2 & ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ PHENOL & VSV

Bảng 2.2. Hằng số tốc độ phản ứng của *OH và O3 đối với một số hợp chất hữu cơ trong môi trường
nước
Hằng số tốc độ phản ứng, M-1s-1
Hợp chất hữu cơ
.

O3

OH

103-104

109-1011

10-1,6x103

109-1010

103

109-1010

Hợp chất chứa N

10-102

108-1010

Hợp chất chứa nhân thơm

1-102

108-1010

1

109-1010

Alcohol

10-2-1

108-1010

Aldehyt

10

109

Các ankan

10-2

106-109

Anken chứa clo
Chất hữu cơ chứa S
Phenol

Xeton

Do có thế oxy hoá cao nên một khi được tạo thành, gốc *OH sẽ khơi mào cho một phản
ứng dây chuyền. Dạng phản ứng phổ biến của *OH với chất hữu cơ là sự tách nguyên tử hydro để
bắt đầu chuỗi phản ứng oxy hoá
RH + *OH
2 *OH

H2O + R*

→
→

H2O2

(2.1)

(2.2)

R* + H2O2

→

ROH + *OH (2.3)

R* + O 2

→

ROO*

(2.4)

ROO* + RH

→

ROOH + R*

(2.5)

Vì vậy, với sự hiện diện của oxy, sự tấn công của gốc tự do *OH sẽ khơi mào cho một
chuỗi phản ứng oxy hoá, dẫn đến sự vô cơ hoá các hợp chất hữu cơ mà con đường chính xác của
các phản ứng oxy hoá này vẫn chưa được làm sáng tỏ. Chẳng hạn, các hợp chất hữu cơ chứa clo
trước tiên sẽ bị oxy hoá mạnh thành các sản phẩm trung gian như aldehyt và axit carboxylic và
cuối cùng thành CO2, H2O và ion clo. Nitơ trong hợp chất hữu cơ thường bị oxy hoá thành nitrat
hoặc N2, lưu huỳnh bị oxy hoá thành sulfat…

MS: T75-2008
TH: Nguyễn Quỳnh Mai

11


NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LỚP PHIM TIO2 & ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ PHENOL & VSV

Tốc độ oxy hoá của gốc tự do *OH phụ thuộc vào nồng độ gốc *OH, nồng độ của oxy và
nồng độ của chất hữu cơ trong môi trường nước. Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ của gốc *OH
bao gồm: pH, nhiệt độ, thàh phần ion trong dung dịch phản ứng và bản chất của phản ứng…
Nói chung, khi được sử dụng thích hợp, các quá trình oxy hoá nâng cao sẽ có khả năng xử
lý triệt để các chất ô nhiễm hữu cơ có nồng độ từ vài trăm ppm đến nhỏ hơn 5ppb. Vì vậy, các
phương pháp này được gọi là các quá trình xử lý nước của thế kỷ XXI
2.2.2. Nguyên lý của quá trình quang xúc tác trên TiO2
Các bước xảy ra trong quá trình quang xúc tác trên chất bán dẫn TiO2 trong môi trường
nước có O2 được tóm tắt như sau:
a) Bức xạ UV kích thích các electron từ vùng hoá trị nhảy lên vùng dẫn, tạo lỗ trống
quang sinh trên vùng hoá trị và electron quang sinh trên vùng dẫn;
b) Các electron quang sinh và lỗ trống quang sinh di chuyển ra bề mặt hạt xúc tác;
c) Các electron quang sinh và lỗ trống quang sinh tái kết hợp bên trong và trên bề mặt
chất xúc tác;
d) Các lỗ trống quang sinh trên bề mặt hạt xúc tác oxi hoá H2O và OH- tạo ra gốc tự do
≅

OH ;
≅

e) Các electron quang sinh trên bề mặt hạt xúc tác khử O2 tạo ra gốc tự do O22.3. GIỚI THIỆU VỀ PHƯƠNG PHÁP SOL-GEL

2.3.1. Quá trình Sol-gel
Quá trình sol-gel là quá trình chế tạo vật liệu oxide kim loại từ dung dịch, thông qua các
phản ứng thuỷ phân – ngưng tụ muối vô cơ kim loại hoặc tiền chất alkoxide kim loại.
Phương pháp sol-gel ngày càng được ưa chuộng nhờ khả năng tổng hợp dễ dàng, trang
thiết bị đơn giản, độ đồng đều và độ tinh khiết khá tốt, chế tạo được màng mỏng và tạo được hạt
có kích cỡ nano khá đồng đều.
Quá trình sol-gel gồm 5 giai đoạn sau:
•

Tạo hệ sol.

MS: T75-2008
TH: Nguyễn Quỳnh Mai

12


NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LỚP PHIM TIO2 & ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ PHENOL & VSV

•

Gel hoá (gelation).

•

Định hình (aging).

•

Sấy (drying).

•

Kết khối (sintering).

Sau đây chúng ta sẽ đi vào nghiên cứu cụ thể từng bước của quá trình sol-gel.
* Tạo hệ sol
Trong giai đoạn tạo sol alkoxide kim loại sẽ bị thuỷ phân và ngưng tụ, tạo hệ sol gồm
những hạt oxide kim loại nhỏ (hạt sol) phân tán trong dung môi. Hai quá trình quan trọng là thuỷ
phân và ngưng tụ sẽ quyết định tính chất và cấu trúc gel cũng như cấu trúc màng trong các giai
đoạn sau.
+ Phản ứng thủy phân (hydrolysis)
Phản ứng thủy phân diễn ra theo cơ chế sau

(2.1)

Hydroxylalkoxide kim loại

Hay một phân tử alkoxide có thể phản ứng với nhiều phân tử nước:
M(OR)n + xH2O → M(OR)n-x(OH)x + xROH

(2.2)

Hydroxylalkoxide kim loại

Phản ứng thuỷ phân thực ra là một phản ứng acid-bazơ, cặp electron của nguyên tử oxy
trong nước tấn công vào vị trí thân điện tử của M trong phân tử alkoxide. Do vậy, M có kích
thước càng lớn và càng mang tính kim loại thì alkoxide của nó càng dễ bị thuỷ phân. Hơn nữa,

MS: T75-2008

TH: Nguyễn Quỳnh Mai

13


NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LỚP PHIM TIO2 & ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ PHENOL & VSV

nhóm thế R cũng ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng thuỷ phân; R càng cồng kềnh và càng nhiều nhánh
phản ứng thuỷ phân càng khó xảy ra. Do phản ứng thuỷ phân mang bản chất của một phản ứng acid-

bazơ nên ta có thể khống chế tốc độ phản ứng bằng xúc tác acid hay bazơ. Xúc tác acid sẽ làm
tăng tốc độ phản ứng, ngược lại xúc tác bazơ sẽ làm giảm tốc độ phản ứng. Hydroxylalkoxide
kim loại trong phản ứng (2.2) sẽ tiếp tục tham gia đồng thời phản ứng thuỷ phân và phản ứng
ngưng tụ.
+ Phản ứng ngưng tụ (polycondensation)
Phản ứng ngưng tụ diễn ra theo hai kiểu:
•

Ngưng tụ rượu:
M(OH)(OR)n-1 + M(OR)n → (OR)n-1M-O-M(OR)n-1 + ROH

•

(2.3)

Ngưng tụ nước:

M(OH)(OR)n-1 + M(OH)(OR)n-1 → (OR)n-1M-O-M(OR)n-1 + H2O

(2.4)

Phản ứng ngưng tụ tạo cầu nối kim loại – oxy giữa các phân tử hydroxyalkoxide. Phản
ứng (2.3) và (2.4) mô tả trường hợp đơn giản khi hai monomer ngưng tụ tạo thành một dimer.
Trong dung dịch, phản ứng ngưng tụ diễn ra đồng thời giữa monomer, dimer, trimer,… với nhau
tạo thành oligomer M-O-M rất phức tạp.
Phản ứng ngưng tụ xảy ra rất nhanh và gần như đồng thời với phản ứng thuỷ phân cho
đến khi trong dung dịch không còn nhóm OR hay OH. Đối với alkoxide titanium, phản ứng
ngưng tụ rượu (2.3) xảy ra nhanh hơn phản ứng ngưng tụ nước (2.4).
+ Các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng thủy phân – ngưng tụ
•

Độ pH

Như ở phần trên đã đề cập, phản ứng thuỷ phân diễn ra nhanh trong xúc tác acid (pH < 7)
và chậm trong xúc tác bazơ (pH > 7). Ngược lại, phản ứng ngưng tụ xảy ra nhanh trong xúc tác
bazơ và chậm trong xúc tác acid. Cơ chế phản ứng thuỷ phân và phản ứng ngưng tụ cũng khác
nhau trong môi trường acid và bazơ.
•

Lượng nước tham gia phản ứng thuỷ phân

MS: T75-2008
TH: Nguyễn Quỳnh Mai

14


NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LỚP PHIM TIO2 & ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ PHENOL & VSV

Lượng nước này thường được đánh giá dựa trên tỉ lệ R

(2.5)

Tỉ lệ R càng lớn nghĩa là lượng nước tham gia phản ứng thuỷ phân – ngưng tụ càng
nhiều, phản ứng thuỷ phân – ngưng tụ xảy ra càng nhanh, dễ tạo kết tủa M(OH)n trong dung dịch.
Trong phạm vi của luận văn này tỉ lệ R được áp dụng là 4 để đảm bảo toàn bộ Ti và Si tham gia
phản ứng thuỷ phân.
•

Thành phần tham gia phản ứng thuỷ phân

- Tốc độ thuỷ phân của loại tiền chất của Ti tham gia phản ứng.
- Loại dung môi: dung môi sử dụng trong quá trình sol-gel từ con đường hữu cơ thường là
rượu.
- Các tác nhân tạo phức (DEA, TEA, acetylacetonate, acid acetic,…) được đưa vào để
kiểm soát tốc độ phản ứng thuỷ phân – ngưng tụ. Các chất này phản ứng với alkoxide kim loại
cho sản phẩm có dạng vòng càng bền. Trong phân tử sản phẩm phức, các ligand của tác nhân tạo
phức lấp đầy các vân đạo trống của ion Mn+, làm ion này khó bị tấn công bởi cặp electron của
oxy trong phân tử nước, tức là làm phản ứng thuỷ phân diễn ra chậm hơn.
* Gel hoá (gelation)
Giữa các hạt sol bắt đầu có sự hình thành liên kết thông qua phản ứng ngưng tụ. Quá trình
liên kết của các hạt sol tiếp tục sẽ dẫn tới việc hình thành các cluster trong dung dịch. Các cluster
này tiếp tục phát triển kích thước cho đến khi giữa chúng có sự tiếp xúc và hình thành các liên kết
ngang (cross-link), tạo thành mạng lưới hydroxide kim loại 3 chiều trong khắp thể tích dung dịch,
làm độ nhớt dung dịch tăng lên đột ngột. Đây chính là quá trình gel hoá. Khoảng thời gian từ lúc
chấm dứt phản ứng thuỷ phân đến khi gel hình thành được gọi là thời gian gel hoá (gelation
time).
Gel là mạng khung hydroxide kim loại (M-O-M) xốp chứa đầy dung môi. Các lỗ xốp
trong cấu trúc gel tạo thành các kênh lỗ xốp liên tục. Mạng khung có dạng sợi nếu kích thước hạt
sol nhỏ và có dạng hạt nếu hạt sol có kích thước lớn. Liên kết ngang trong gel tiếp tục được củng

MS: T75-2008
TH: Nguyễn Quỳnh Mai

15


NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LỚP PHIM TIO2 & ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ PHENOL & VSV

cố trong quá trình định hình (aging). Sự co ngót sẽ xuất hiện khi dung môi bay ra khỏi các lỗ xốp
trong cấu trúc gel.
* Giai đoạn định hình (aging)
Trong giai đoạn này liên kết trong gel được củng cố và làm cho gel đồng đều hơn. Liên
kết hạt – hạt được củng cố thông qua quá trình hoà tan – ngưng tụ tại bề mặt hạt và cổ tiếp xúc.
Hơn nữa, nếu dung môi quá nhiều và polymer có kích thước lớn, hiện tượng lấn chiếm Ostwald
xảy ra làm số lượng hạt giảm và kích thước hạt tăng.
Hiện tượng lấn chiếm Ostwald và ngưng tụ tại cổ tiếp xúc hạt – hạt xảy ra do sự chênh
lệch độ hoà tan vật chất theo độ cong của bề mặt hạt. Bề mặt polymer hay hạt có bán kính cong
càng nhỏ sẽ có hoá thế µ càng cao. Trong dung dịch, hoá thế tương ứng với độ hoà tan. Ngược
lại, khi bề mặt lõm, độ hoà tan là âm, tương ứng với sự ngưng tụ (Hình 2.3).

Hình 2.3. Sự phụ thuộc độ hoà tan vào độ cong

Khi hiện tượng lấn chiếm Ostwald xảy ra, các hạt nhỏ trong dung dịch do có bán kính nhỏ
nên có độ hoà tan tại bề mặt lớn hơn độ hoà tan tại bề mặt của các hạt lớn. Lúc đó vật chất sẽ
khuếch tán ngược gradient nồng độ này và lắng đọng trên bề mặt các hạt có kích thước lớn hơn.
Các hạt nhỏ sẽ bị hoà tan dần còn các hạt lớn lại tăng kích thước. Quá trình tiếp tục xảy ra làm số
lượng hạt giảm và kích thước hạt tăng cho đến khi các hạt trong dung dịch không có sự chênh
lệch về kích thước.

MS: T75-2008

TH: Nguyễn Quỳnh Mai

16


NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LỚP PHIM TIO2 & ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ PHENOL & VSV

Hình 2.4. Hiện tượng lấn chiếm Ostwald

Hiện tượng ngưng tụ tại cổ tiếp xúc được mô tả trong hình 2.5. Bề mặt vùng cổ tiếp xúc
có độ cong âm, do đó có hoá thế âm, thuận lợi cho việc ngưng tụ vật chất, trong khi bề mặt hạt lại
có độ hoà tan lớn. Vật chất sẽ khuếch tán từ bề mặt hạt và ngưng tụ tại vùng cổ tiếp xúc, làm
đường kính cổ tiếp xúc to hơn và gel đồng đều hơn.

Dòng vật chất
Hoà tan
Ngưng tụ

Hình 2.5. Sự hoà tan – ngưng tụ tại cổ tiếp xúc

Giai đoạn định hình chủ yếu làm thay đổi gel có dạng cluster – cluster. Đối với gel có
dạng sợi, ảnh hưởng của quá trình định hình không quan trọng lắm.
* Giai đoạn sấy (drying)
Khi nâng nhiệt độ, dung môi bắt đầu bay hơi ra khỏi lỗ xốp trong cấu trúc gel. Giữa dung
môi chứa đầy trong lỗ xốp và mạng khung polymer xuất hiện lực mao dẫn. Do lực mao dẫn phụ
thuộc vào kích thước lỗ xốp, nên nếu kích thước lỗ xốp trong gel không đồng đều sẽ dẫn tới sự

MS: T75-2008
TH: Nguyễn Quỳnh Mai

17


NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LỚP PHIM TIO2 & ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ PHENOL & VSV

chênh lệch ứng suất và làm nứt gel. Hơn nữa, lực mao dẫn còn có tác dụng làm kích thược lỗ xốp
thu nhỏ lại, dẫn tới sự co ngót gel. Các lỗ xốp trong gel trở thành các lỗ xốp đóng cùng lúc với sự
biến mất của các lỗ xốp nhỏ. Gel từ đàn hồi nhớt chuyển sang dạng đàn hồi sau khi sấy xong.
* Giai đoạn kết khối (sintering)
Quá trình ủ nhiệt gel xảy ra theo cơ chế dòng nhớt: vật chất khuếch tán từ nơi có ứng suất
cao đến nơi có ứng suất thấp. Trong giai đoạn này, gel tiếp tục bị co ngót và gel chuyển từ pha vô
định hình sang pha tinh thể ở nhiệt độ cao. Phương pháp sol-gel có nhiệt độ kết khối thấp hơn so
với phương pháp ceramic truyền thống (vào khoảng 0.7 – 0.8 Tnóng chảy của vật liệu).
2.3.2. Ưu và nhược điểm của phương pháp sol-gel
•

Ưu điểm:

- Sản phẩm có độ đồng đều và độ tinh khiết cao.
- Nhiệt độ kết khối của phương pháp sol-gel không cao như trong phương pháp ceramic
truyền thống do cấu trúc oxyt – kim loại 3 chiều đồng nhất đã hình thành trong thể tích vật liệu.
- Chế tạo được màng mỏng và có thể chế tạo được hạt có kích thước nano.
•

Nhược điểm:

- Nguyên liệu ban đầu khá mắc tiền.
- Độ co ngót của sản phẩm cao.
- Lỗ xốp, nhóm hydroxyl (-OH) và carbon còn tồn tại trong sản phẩm.
- Dung dịch hữu cơ sử dụng trong quá trình chế tạo có thể rất nguy hiểm.

- Thời gian chế tạo lâu.

MS: T75-2008
TH: Nguyễn Quỳnh Mai

18


NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LỚP PHIM TIO2 & ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ PHENOL & VSV

CHƯƠNG 3

TỔNG QUAN VỀ PHENOL VÀ TÌNH TRẠNG Ô NHIỄM
PHENOL TRONG NƯỚC
3.1 GIỚI THIỆU VỀ PHENOL
3.1.1 Cấu tạo và tính chất của phenol
Phenol là một loại hợp chất hữu cơ mà trong phân tử có chứa nhóm hidroxyl (−OH) liên
kết trực tiếp vào nhân benzene (nhân thơm). Phenol đơn chức, chứa một nhân thơm, gốc
hydrocacbon liên kết vào nhân thơm không có hay nếu có là gốc no mạch hở CnH2n + 2 – 8 – 1OH
CnH2n – 7 OH (n ≥ 6). Phenol đơn giản nhất là C6H5−OH. Phenol đơn giản nhất còn có các tên:
hidroxy-benzene, acid phenylic, acid carbolic. Chất này là chất rắn, tinh thể không màu, có mùi
đặc trưng, nóng chảy ở 43°C. Sôi ở 182°C. Để lâu trong không khí phenol tự chảy rữa (vì nó hút
ẩm tạo thành hydrate, nóng chảy ở 18°C) và nhuộm màu hồng (vì bị oxi hóa một phần bởi oxi).
Mặt dù có khả năng tạo liên kết hydro với nước, nhưng phenol tan ít trong nước lạnh (9,5g/100g
nước ở 25°C), do gốc hydrocacbon phenyl (C6H5−) khá lớn nên kỵ nước. Tuy nhiên, phenol tan
vô hạn trong nước nóng có nhiệt độ ≥ 700C. Phenol có tỉ khối 1,072 (khối lượng riêng
1,072g/mL). Phenol có tính acid yếu Ka = 1.10−10 (pKa = 10). Phenol có tính sát trùng, rất độc,
gây phỏng nặng khi rơi vào da (làm phồng da). Phenol được sản xuất bằng cách oxi hóa không
hoàn toàn benzene, bằng quá trình Cumene hay quá trình Rachirg. Ngoài ra, phenol còn được tìm
thấy như là một sản phẩm của quá trình “oxi hóa” than đá. (coal oxidation)

3.1.2. Độc tính của phenol
Đối với con người, khi tiếp xúc với phenol trong không khí có thể bị kích ứng đường hô
hấp, đau đầu, cay mắt. Nếu tiếp xúc trực tiếp với phenol ở nồng độ cao có thể gây bỏng da, tim
đập loạn nhịp và có thể dẫn đến tử vong. Phenol cũng gây tác động mạnh theo đường tiêu hóa.
Khi ăn, uống phải một lượng phenol có thể gây kích ứng, bỏng phía bên trong cơ thể và gây tử
vong ở hàm lượng cao. Tình trạng bị kích ứng và ảnh hưởng cũng xảy ra tương tự đối với các loài
động vật khi tiếp xúc với phenol. Chính vì vậy, phenol có tác động rất lớn đến môi trường. Tình
trạng ô nhiễm phenol trong không khí, nước thải và trong đất có thể gây ảnh hưởng đến hệ sinh
thái và ở hàm lượng cao có thể tiêu diệt toàn bộ hệ sinh thái.

MS: T75-2008
TH: Nguyễn Quỳnh Mai

19


NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LỚP PHIM TIO2 & ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ PHENOL & VSV

3.1.3. Nguồn gốc ô nhiễm phenol trong nước
Nguồn cơ bản phát sinh ô nhiễm phenol trong nước chính là chất thải từ các cơ sở sản
xuất có sử dụng phenol như nguyên liệu hay dung môi của quá trình sản xuất. Các nhà máy sản
xuất dược phẩm có các mặt hàng thuốc giảm đau aspirin, acid salicilic… trong nước thải vệ sinh
thiết bị, dụng cụ sẽ thải ra phenol. Tại các cơ sở sản xuất hạt điều, trong nước thải ngâm ủ hạt và
vệ sinh nhà xưởng có chứa nhiều dẫn xuất của phenol.
Phenol được sử dụng trong thành phần của thuốc diệt cỏ, thuốc diệt nấm mốc. Do đó, trong quá
trình tồn trữ, bảo quản và sử dụng sẽ có tình trạng thất thóat ra ngoài môi trường. Đặc biệt là tình
trạng ô nhiễm phenol trong canh tác nông nghiệp do người nông dân thiếu ý thức, vứt bừa bãi các
chai lọ đựng thuốc diệt cỏ có chứa phenol ra đồng ruộng. Ngoài ra, phenol còn được sử dụng làm
chất sát trùng, gây tê (Chloraseptic® spray), làm bong tróc lớp tế bào chết (trong chiến tranh thế
giới II), tẩy uế (hỗn hợp phenol và chloroform là một hỗn hợp thường dùng để tẩy DNA trong

ngành sinh học phân tử) và lượng dự phenol trong quá trình sử dụng sẽ phát tán vào môi trường
gây ra tình trạng ô nhiễm…

3.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ PHENOL TRONG NƯỚC
3.2.1. Hấp phụ bằng than hoạt tính
Than hoạt tính có cấu trúc lỗ xốp với diện tích bề mặt riêng rất lớn, trên 1.000 m2/g. Nhờ
đó, than hoạt tính có khả năng hấp phụ nhiều loại chất hữu cơ, vô cơ và được ứng dụng rộng rãi
trong xử lý môi trường. Nước thải có chứa phenol được cho chảy trực tiếp qua bể lọc với vật liệu
than hoạt tính, tại đây than hoạt tính sẽ giữ lại phenol và các hợp phần hữu cơ khác. Sau một thời
gian hoạt động, than hoạt tính sẽ suy giảm và mất khả năng hấp phụ; tiến hành tái sinh để khôi
phục hoạt tính của than. Tuy nhiên, quá trình hấp phụ bằng than hoạt tính cũng có một số nhược
điểm như chịu sự ảnh hưởng lớn của các yếu tố: pH, nhiệt độ, sự có mặt của các ion Ca2+, Mg2+,
hay quá trình giải hấp tương đối phức tạp và tốn kém, tuổi thọ than hoạt tính có hạn…
3.2.2. Xử lý bằng các tác nhân oxy hóa mạnh
Sử dụng các tác nhân oxy hóa mạnh như H2O2, ozone, chlorine, hệ Fenton… để oxy hóa
phenol trong nước thải tạo thành những hợp phần hữu cơ ít ô nhiễm hoặc chuyển hóa triệt để
thành CO2 và H2O. Quá trình xử lý thường tốn kém hóa chất, chi phí cao và có thể tạo ra các hợp
chất hữu cơ gây ung thư. Việc ứng dụng xúc tác quang cũng đã bước đầu được nghiên cứu để xử
lý phenol; tuy nhiên các nghiên cứu chủ yếu thực hiện trong phòng thí nghiệm, trên một số dạng
của hợp chất xúc tác quang và chưa được triển khai áp dụng trong thực tế.

MS: T75-2008
TH: Nguyễn Quỳnh Mai

20


NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LỚP PHIM TIO2 & ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ PHENOL & VSV

CHƯƠNG 4

TỔNG QUAN VỀ VI SINH VẬT VÀ TÌNH TRẠNG Ô
NHIỄM VI SINH VẬT TRONG NƯỚC
4.1. KHÁI QUÁT VỀ CÁC VI SINH VẬT CÓ TRONG NGUỒN NƯỚC
Các loại vi sinh vật gây bệnh có trong nguồn nước thường được chia thành ba nhóm: vi
khuẩn, virus và protozoa.
4.1.1. Vi khuẩn
Vi khuẩn có nhiều hình thái, kích thước và cách sắp xếp khác nhau. Đường kính của phần
lớn vi khuẩn thay đổi trong khoảng từ 0,2 – 2,0 µm, chiều dài cơ thể khoảng 2,0 – 8,0 µm. Hình
dạng chủ yếu của vi khuẩn là hình cầu, hình que, hình dấu phẩy, hình xoắn, hình có cuốn, hình có
sợi... Vi khuẩn hình cầu có đường kính khoảng từ 1 – 3 µm. Vi khuẩn hình que có chiều rộng từ
0,3 – 1,5 µm, chiều dài từ 1,0 – 10,0 µm. Phẩy khuẩn thường có chiều rộng từ 0,6 – 1,0 µm và
chiều dài từ 2,0 – 6,0 µm. Vi khuẩn hình xoắn có chiều dài lên đến 50 µm.
Bảng 4.1: Các loại vi khuẩn gây bệnh phổ biến có trong nguồn nước
Vi khuẩn

Bệnh

Triệu chứng

Nguồn gốc

Salmonella typhosa

Sốt thương hàn

Đau đầu, buồn nôn, tiêu chảy, ăn không Từ
ngon, mất ngủ, đau cổ, viêm phế quản, nước

phân

hay

tiểu

của

đau bụng, sốt cao… Thời gian ủ bệnh: 7 người bệnh sốt
– 14 ngày
Shigella flexneri

Lỵ trực khuẩn

thương hàn

Viêm loét niêm mạc ruột, tiêu chảy tạo Tiếp

xúc

trực

phân có máu. Thời gian ủ bệnh: 1 – 7 tiếp với người
ngày
Vibrio cholera

Tả

nhiễm khuẩn

Tiêu chảy, nôn ói, mất nước nhanh, có Lây truyền qua

thể gây tử vong trong khoảng thời gian nước
tương đối ngắn. Thời gian ủ bệnh: vài
giờ – 5 ngày

Leptospira

MS: T75-2008
TH: Nguyễn Quỳnh Mai

Nhiễm

Phân tán vi khuẩn trong máu người Từ súc vật tới

21


NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LỚP PHIM TIO2 & ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ PHENOL & VSV

Leptospira

bệnh, nhiễm trùng thận và hệ thần kinh người khi tiếp
trung ương.

xúc với nước bị ô
nhiễm

Viêm dạ dày ruột

E. coli

Tiêu chảy nước, nôn ói, đau quặn bụng, Từ nguồn nhiễm
mất nước

phân

4.1.2. Virus
Virus là vi sinh vật được tạo thành từ một loại acid nucleic: hoặc AND, hoặc ARN và
được bảo vệ bằng một lớp màng protein. Tất cả các loại virus đều sống kí sinh trên cơ thể vật
chủ. Các virus kí sinh trên người hoặc trên các loài động vật, thực vật, vi sinh vật có ích đối với
người là các virus có hại, ngược lại, các virus kí sinh trên các côn trùng và các động vật có hại, cỏ
dại và các thực vật khác có hại, các vi sinh vật gây bệnh cho người và động vật chăn nuôi. Virus
có kích thước từ 0,01 – 0,1 µm, tùy thuộc vào từng loại virus khác nhau.
Nước có thể bị nhiễm bẩn bởi khoảng 140 loại virus đường ruột. Những virus này xâm
nhập vào cơ thể người bằng miệng, nhân lên trong đường tiêu hóa và bài xuất với số lượng lớn
trong phân. Nhiều virus đường ruột gây nhiễm trùng ẩn rất khó phát hiện, là nguyên nhân gây các
bệnh như: phát ban, sốt, nhiễm trùng hô hấp, viêm kết mạc, viêm đường ruột, liệt… Virus đường
ruột chủ yếu được truyền qua sự tiếp xúc trực tiếp giữa người với người, hoặc qua nước hay thực
phẩm.
4.1.3. Protozoa
Protozoa là các vi sinh vật nhân thật đơn bào không có thành tế bào, sử dụng các loại vi
khuẩn và vi sinh vật khác làm thức ăn. Phần lớn protozoa sống tự do trong môi trường nước tự
nhiên, tuy nhiên cũng có một số loài sống kí sinh trên vật chủ. Những protozoa gây bệnh cho
người qua đường nước đáng chú ý là: Giardia lambia và Cryptospridium.
4.1.4. Các loại vi sinh vật gây bùng phát bệnh qua đường nước
Theo EPA, các vụ bùng phát bệnh dịch truyền nhiễm qua đường nước uống gây ra do các
vi sinh vật sau: E. coli, Giardia lambia, Cryptospridium và Legionella pneumophila.
a. E. coli
Escherichia Coli là trực khuẩn đại tràng, Gram âm, có kích thước 2,0 x 0,5 µm, có nhiệt
độ sinh trưởng từ 10 – 47,5ºC.

MS: T75-2008
TH: Nguyễn Quỳnh Mai

22


NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LỚP PHIM TIO2 & ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ PHENOL & VSV

Trong số các E. coli, có nhiều chủng không gây bệnh, được tìm thấy trong đường tiêu hóa
người và động vật máu nóng. Bên cạnh đó, có các chủng E. coli sinh ra độc tố gây viêm dạ dày,
ruột, gây tiêu chảy, đau quặn bụng.
E. coli được xem là một trong những vi sinh vật chỉ thị lý tưởng vì sự hiện diện của E.
coli chỉ thị cho sự ô nhiễm phân và còn bởi vì E. coli thỏa mãn những tiêu chuẩn sau:
- Là thành viên của vi khuẩn sống trong ruột của động vật máu nóng.
- Không nhân lên trong môi trường.
- Có thể phát hiện được bằng những phương pháp đơn giản, nhanh chóng và rẻ tiền.
- Hiện diện khi vi sinh vật gây bệnh tồn tại và không có trong mẫu không nhiễm bẩn.
b. Giardia lambia
Kí sinh trùng protozoa có roi, có thể dưỡng bào hình quả lê, dài 9 – 12 µm, giai đoạn nang
hình trứng dài 8 – 12 µm, rộng 7 – 10 µm. Giardia có thời gian ủ bệnh từ 1 – 8 tuần, gây tiêu
chảy, đau bụng, buồn nôn, mệt mỏi. Mặc dù phương thức truyền bệnh thông thường là từ người
sang người, nhưng Giardia được xem là nguyên nhân quan trọng nhất của những vụ bùng phát
bệnh qua đường nước.
Giardia không thể cấy trong Phòng thí nghiệm, nang phải được phát hiện và xác định
bằng miễn dịch huỳnh quang với kháng thể đơn dòng hoặc đa dòng hay bởi kính hiển vi tương
phản pha. Do vậy mà việc xác định nồng độ Giardia trong nguồn nước gặp nhiều khó khăn.
c. Cryptosporidium
Cryptosporidium là protozoa gây nhiễm trùng cho người và động vật. Giai đoạn gây
nhiễm của protozoa này là nang trứng, sau khi người ăn vào, nang trứng xuất nang và phóng
thích thể dưỡng bào gây nhiễm kí sinh ở tế bào mô đường ruột. Con đường lây nhiễm từ người

sang người, đường nước, đường thức ăn và do súc vật đều có liên quan trong việc lây nhiễm
Cryptosporidium.
Kỹ thuật cô đặc đã được phát triển để tìm kiếm ký sinh trùng này nhưng hiện vẫn còn
đang tiếp tục hoàn thiện, do đó, cũng tương tự như với Giardia, việc xác định nồng độ của
Cryptosporidium gặp nhiều khó khăn.
d. Legionella pneumophila
Vi khuẩn này là nguyên nhân của bệnh Legionnaire, có mức ác tính cao, ảnh hưởng đến
đường tiêu hóa và đường niệu cũng như hệ thần kinh. Người bị nhiễm Legionella cũng có thể

MS: T75-2008
TH: Nguyễn Quỳnh Mai

23


NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LỚP PHIM TIO2 & ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ PHENOL & VSV

mắc hội chứng sốt pontiac, bao gồm các triệu chứng: sốt, nhức đầu, đau cơ nhưng có thể hồi phục
mà không cần điều trị.
Vi khuẩn này dường như hiện diện ở mọi nơi, từ nước thải, nước tự nhiên và đất. Các vụ
bùng phát của bệnh Legionnaire có liên quan đến việc tiếp xúc với tháp làm mát, thiết bị ngưng
tụ, máy hút ẩm, hay do tiếp xúc trực tiếp với hệ thống phân phối nước trong bệnh viện.

4.2. KHÁI QUÁT CÁC PHƯƠNG PHÁP KHỬ TRÙNG NƯỚC ĐANG ĐƯỢC
ỨNG DỤNG
Dựa vào nguyên lý của quá trình, thông thường người ta có thể chia thành hai phương
pháp khử trùng nguồn nước: phương pháp lý học và phương pháp hóa học.
4.2.1. Phương pháp lý học
Phương pháp khử trùng theo nguyên lý lý học bao gồm những phương pháp phổ biến
như: khử trùng bằng nhiệt, khử trùng bằng tia UV, khử trùng bằng siêu âm, khử trùng bằng lọc

qua sứ xốp hoặc màng bán thấm…
a. Phương pháp nhiệt
Phương pháp khử trùng này được thực hiện đơn giản bằng cách đun sôi nước cần khử
trùng đến nhiệt độ 100ºC. Ở nhiệt độ này, đa số vi sinh vật bị tiêu diệt, nước đun sôi đảm bảo tiêu
chuẩn chất lượng vệ sinh. Tuy nhiên, phương pháp này không có hiệu quả với những vi sinh vật
có khả năng hình thành bào tử khi nhiệt độ nước tăng cao. Dạng bào tử của các loại vi sinh vật
này có khả năng sống trong môi trường nước đun sôi liên tục trong vòng 10 – 20 phút mà không
hề bị tiêu diệt.
Ưu điểm
- Đơn giản, dễ thực hiện.
Nhược điểm
- Tiêu hao năng lượng lớn.
- Chỉ thích hợp với quy mô nhỏ.
b. Phương pháp dùng tia UV
Tia UV có khả năng tiêu diệt được nhiều loại vi khuẩn, virus và các loại vi sinh vật khác ở
cả hai dạng: dạng sinh dưỡng và dạng bào tử. Bức xạ điện từ có bước sóng từ 240 – 280 nm hiệu
quả với quá trình khử trùng nhờ khả năng phá hủy acid nucleic của vi sinh vật. Trong đó, bước
sóng có khả năng phá hủy acid deoxyribonucleic (ADN) hiệu quả nhất là bước sóng 254 nm [19].

MS: T75-2008
TH: Nguyễn Quỳnh Mai

24