Nghiên cứu khử trùng nước bằng vật liệu ag tio2 sio2 được điều chế bằng phương pháp sol gel

1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Nhiều nghiên cứu đã đề cập đến quá trình diệt khuẩn bằng cách sử dụng
chất xúc tác quang TiO2. Khả năng diệt khuẩn của hợp chất titanium dioxide
được trình bày lần đầu tiên vào năm 1985. Kể từ đó, có nhiều nghiên cứu
khoa học chứng minh tính hiệu quả của chất xúc tác quang TiO2 như là một
chất khử trùng đối với các loại Coliform khác nhau. Tuy nhiên, việc sử dụng
chất khử trùng từ những hạt nano cũng có nhiều giới hạn. Những oxide kim
loại quang hóa ít có khả năng diệt khuẩn trong điều kiện không có ánh sáng
UV, do đó khả năng ứng dụng hạn chế. Mặt khác, người ta còn quan tâm đến
việc phóng thích của các ion kim loại nặng có thể gây ra tác động tiêu cực
đến sức khỏe con người và môi trường. Do đó, nhiều công trình tìm nhiều
cách để biến tính các oxide kim loại quang hóa này để tăng khả năng diệt
khuẩn đồng thời giảm lượng ion kim loại phóng thích.
Một số công trình nghiên cứu về sự kết hợp của Ag và TiO2 trong thời
gian gần đây cho thấy ưu điểm của Ag khi kết hợp với TiO2. Thứ nhất, bạc
là chất kháng khuẩn đặc biệt tốt được biết đến từ rất lâu; song song đó, nhiều
nghiên cứu cho thấy hạt nano bạc có thể diệt nhiều vi khuẩn và có thể gắn
kết lên các bề mặt khác nhau nhờ những kỹ thuật hóa học. Thứ hai, nano bạc
có khả năng đẩy mạnh hoạt tính quang hóa của hạt nano TiO2 bằng các tách
các electron từ TiO2 và ngăn không cho sự tái hợp của các electron tự do
[24]. Ngoài ra, Minghua Li và các cộng sự [25] cho thấy trong điều kiện thiếu
sáng, Ag-TiO2 có hoạt tính kháng khuẩn mạnh hơn so với TiO2 hoặc Ag
riêng lẻ. Khả năng khử trùng của hạt nano Ag-TiO2 lớn hơn nano TiO2
(Degussa P25) (trơ) hoặc nano bạc, điều này cho thấy rằng, những vật liệu
ghép tạo ra hiệu ứng kháng khuẩn không liên quan đến tính chất quang học.
Trong điều kiện ánh sáng UV, hạt Ag-TiO2 có hoạt tính mạnh hơn so với
một mình tia UV, Ag/ UV, hoặc UV/TiO2. Hơn nữa, lượng ion Ag+ hòa tan
trong Ag – TiO2 ít hơn khi chỉ sử dụng một mình nano Ag , điều này chứng

minh khả năng diệt khuẩn của Ag –TiO2 không hoàn toàn do sự giải phóng
các ion Ag+. Ngoài ra việc bổ sung SiO2 trong quá trình điều chế giúp tăng
diện tích bề mặt và mở rộng vùng xúc tác quang của TiO2, tăng khả năng ứng
dụng của vật liệu trong những điều kiện ánh sáng khác nhau. Sự kết hợp của
Ag, SiO2 và TiO2 còn hứa hẹn khả năng diệt khuẩn hiệu quả trong vùng ánh
sáng khả kiến và cả trong điều kiện thiếu sáng trong những mô hình xử lý
nước uống cho người dân. Vì vậy, việc tiến hành đề tài: “Nghiên cứu khử
trùng nước bằng vật liệu Ag-TiO2-SiO2 được điều chế bằng phương
pháp sol-gel” là rất cần thiết.


2

2. Mục tiêu của đề tài
-

-

Chứng minh khả năng khử trùng khi kết hợp giữa Ag và TiO2 cao hơn so
với từng thành phần riêng lẻ
Điều chế được vật liệu Ag-TiO2-SiO2 (Ag-TS) bằng phương pháp sol-gel
kết hợp của SiO2 giúp làm tăng độ rỗng xốp của vật liệu và Ag giúp làm
tăng hiệu quả khử trùng đáp ứng tiêu chí khử trùng tốt, độ bền cao, giá
thành rẻ.
Xây dựng phương trình đường động học khử khuẩn của vật liệu Ag-TS
(ứng với từng yếu tố riêng lẻ).
Nghiên cứu những công nghệ khử trùng nước bằng vật liệu Ag-TS phù
hợp với những điều kiện ánh sáng khác nhau: điều kiện ánh sáng đèn
UVC, ánh sáng mặt trời và điều kiện thiếu sáng.

3. Nội dung của đề tài
-

-

-

-

4.
-

-

Nghiên cứu ảnh hưởng của Ag-TiO2 đối với hiệu quả khử khuẩn từ những
công trình nghiên cứu đã công bố ở Việt Nam và trên thế giới trong những
tạp chí quốc tế, tạp chí trong nước, hội thảo quốc tế,…
Đánh giá cộng hưởng của Ag và TiO2 khi kết hợp với nhau trong điều kiện
ánh sáng đèn UVC và thiếu sáng.
Điều chế vật liệu Ag-TS bằng phương pháp sol-gel có sự tham gia của
SiO2 và so sánh hiệu quả khử khuẩn với TiO2 thương mại (Degussa P25
và Ag-TP điều chế bằng phương pháp tẩm từ TiO2 (Degussa P25).
Đánh giá đặc tính vật liệu của Ag-TS so với Ag-TP: kích thước hạt, lượng
Ag trong vật liệu, diện tích bề mặt (BET), hình thái bề mặt, hình thái Ag
trong vật liệu, Ag+ phóng thích.
Đánh giá hiệu quả khử trùng của vật liệu Ag-TS và xây dựng phương trình
đường động học khử khuẩn.
Chế tạo mô hình khử trùng nước phù hợp với từng điều kiện chiếu sáng:
ánh sáng đèn UVC, ánh sáng mặt trời và điều kiện không có ánh sáng
nhằm thích nghi với điều kiện Việt Nam.

Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu
a. Đối tượng nghiên cứu:
Nguồn nước giả lập: lượng vi khuẩn Escherichia coli (ATCC 25922)
Nguồn nước thực: lượng vi khuẩn Coliforms. Nguồn nước thực gồm: nước
giếng (Q. Thủ Đức, TpHCM; nước sông Tiền, Đồng Tháp và nước sông
Hậu, An Giang).
b. Phạm vi nghiên cứu
Quy trình điều chế Ag-TS được đánh giá dựa trên tỉ lệ Ag/TiO2 trong vật
liệu.


3

-

-

5.

Nghiên cứu đặc tính hóa lý của vật liệu Ag-TS gồm: diện tích bề mặt
riêng, kích thước hạt phân tán, kích thước hạt tổ hợp, độ tinh thể hoá, liên
kết phổ, hình thái bề mặt, và hình thái hạt, năng lượng vùng cấm, nồng độ
Ag/TiO2.
Khả năng khử khuẩn của vật liệu Ag-TS đánh giá trong phạm vi:
 Hiệu quả diệt khuẩn E.coli (ATCC 25922) trong môi trường nước giả
lập với vật liệu Ag-TS dạng bột dựa trên các yếu tố ảnh hưởng: tỉ lệ
Ag/TiO2, nồng độ vật liệu, pH, nguồn chiếu sáng, nồng độ vi khuẩn.
 Hiệu quả diệt khuẩn của mô hình khử trùng được đánh giá trong môi
trường nước giả lập và nước thực (đã qua xử lý đạt tiêu chuẩn nước
ăn uống, trừ chỉ tiêu vi khuẩn) với vật liệu Ag-TS dạng lớp phim mỏng

dựa trên các yếu tố ảnh hưởng: pH, nguồn chiếu sáng, nồng độ vi
khuẩn, thời gian lưu nước
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

5.1. Tính mới của đề tài
- Nghiên cứu vật liệu khử trùng TiO2 kết hợp với nano Ag giúp tăng khả
năng hoạt hóa của TiO2.
- Chứng minh được tính cộng hưởng giữa Ag và TiO2 trong điều kiện ánh
sáng UVC và trong điều kiện thiếu sáng
- Nghiên cứu hoạt tính của Ag-TS trong điều kiện thiếu ánh sáng nhằm giảm
chi phí năng lượng trong xử lý nước.
5.2. Ý nghĩa khoa học
- Đánh giá được các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả diệt khuẩn của vật liệu
Ag-TS trong điều kiện ánh sáng khác nhau.
- Đánh giá được hiệu quả của quá trình quang xúc tác xử lý E.Coli của các
mẫu vật liệu trong điều kiện ánh sáng và thiếu sáng.
- Xây dựng phương trình đường động học khử khuẩn của vật liệu Ag-TS
trong điều kiện ánh sáng và thiếu sáng
5.3. Ý nghĩa thực tiễn
- Đề tài nghiên cứu đưa ra vật liệu mới, có khả năng ứng dụng thực tiễn cao.
- Sử dụng vật liệu khử trùng Ag-TS gắn kết lên hạt kính và monolith ứng
dụng ở những vùng nông thôn không có điện, chỉ có ánh nắng mặt trời. Hiệu
quả khử trùng cao, đảm bảo an toàn sức khỏe cho con người.
6. Tiến trình nghiên cứu


4


5

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
Với sự gia tăng sự chịu đựng của các loài vi sinh vật và những chất sản
phẩm phụ độc hại tạo ra từ quá trình xử lý nước, sự quan tâm của con người
với những hình thức xử lý nước uống an toàn ngày càng được chú ý hơn.
Trong số đó, quá trình xử lý bằng TiO2 được quan tâm hơn cả do có rất nhiều
thuận lợi cả về mặt môi trường và kinh tế. Việc sử dụng TiO2 cũng có nhiều
nhược điểm vì ở trạng thái cơ bản, TiO2 chỉ hoạt hoá dưới điều kiện ánh sáng
UV. Trong khi đó, phần bức xạ cực tím trong quang phổ mặt trời đến bề mặt
trái đất chỉ chiếm ~ 4% nên việc sử dụng nguồn bức xạ này vào mục đích xử
lý môi trường với xúc tác quang bị hạn chế. Để mở rộng khả năng sử dụng
năng lượng bức xạ mặt trời cả ở những vùng nhìn thấy vào phản ứng quang
xúc tác, cần giảm năng lượng vùng cấm TiO2. Do đó, nhiều nghiên cứu tìm
cách để biến tính các oxide kim loại quang hóa này để tăng khả năng diệt
khuẩn [22].
Một số công trình nghiên cứu về sự kết hợp của Ag và TiO2 trong thời
gian gần đây cho thấy ưu điểm của Ag khi kết hợp với TiO2 [23]–[25]:
(1) Bạc là chất kháng khuẩn đặc biệt tốt được biết đến từ rất lâu; song
song đó, nhiều nghiên cứu cho thấy hạt nano bạc có thể diệt nhiều vi khuẩn
và có thể gắn kết lên nhiều bề mặt khác nhau nhờ những kỹ thuật hóa học.
(2) Nano bạc có khả năng đẩy mạnh hoạt tính quang hóa của hạt nano
TiO2 bằng cách tách các electron từ TiO2 và ngăn không cho sự tái hợp của
các electron tự do [24].
(3) Pha tạp SiO2 vào TiO2 bằng phương pháp sol – gel giúp cho kích
thước hạt nhỏ hơn, thể tích lỗ rỗng và diện tích bề mặt lớn hơn [47], [48].
Điều này đồng nghĩa với việc liên kết Ti-O-Si duy trì nồng độ nhóm hydroxyl
bề mặt cao nên hoạt tính xúc tác quang của SiO2-TiO2 cao.
Vì thế việc đồng pha tạp Ag và SiO2 vào mạng tinh thể TiO2 giúp nâng
cao diện tích bề mặt của vật liệu, từ đó hạt nano Ag phân tán đều hơn, hiệu
quả khử khuẩn được nâng cao hơn.

Phương pháp điều chế pha tạp TiO2 và các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính
quang hoá có mức ảnh hưởng đến hoạt tính quang hoá khác nhau. Vì vậy, để
so sánh được những kết quả nghiên cứu độc lập về quá trình quang hoá xúc
tác trên TiO2, theo đề nghị của Matthews và cộng sự [142], các nhóm nghiên
cứu thống nhất chọn mẫu TiO2 thương mại (P25, Degussa) làm vật liệu xúc


6

tác tiêu chuẩn trong các nghiên cứu quá trình quang hoá xúc tác [78], [123].
Tuy nhiên, trong các phương pháp nghiên cứu được thực hiện, phương pháp
sol – gel là phương pháp hữu hiệu nhất để điều chế tạo nhiều loại vật liệu kích
thước nano dạng bột hoặc màng mỏng với cấu trúc thành phần mong muốn.
Trong đó sol là một hệ keo chứa các cấu tử có kích thước từ 1 – 100 nm tồn
tại trong dung dịch, đồng thể về mặt hóa học. Phương pháp này giúp tổng hợp
dễ dàng, thiết bị sử dụng 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 [23].
Để áp dụng thực tế, vật liệu phải đạt được vừa hiệu quả khử khuẩn cao và
nồng độ Ag+ phóng thích thấp. Lượng Ag+ phóng thích ra môi trường cao, đặc
biệt với vật liệu có lượng Ag lớn, sẽ dẫn đến tuổi thọ khử khuẩn của vật liệu
giảm [85]. Nếu hạt nano Ag được cố định trong mạng lưới có độ rỗng xốp thì
thời gian Ag+ phóng thích sẽ giảm [143] vì thế Ag kết hợp với mạng cấu trúc
TiO2 sẽ có tiềm năng rất lớn trong việc ứng dụng thực tế. Ngoài ra, vật liệu AgTiO2 khi cố định dạng lớp phim mỏng lên giá thể giúp giảm lượng Ag+ phóng
thích, do đó, sẽ kéo dài độ bền của vật liệu [85]. Lượng Ag+ phóng thích từ vật
liệu Ag-TiO2 dạng lớp phim mỏng thấp hơn hẳn so với Ag-TiO2 dạng bột [86].
Vì thế lựa chọn vật liệu làm giá thể là rất quan trọng.
Những cơ chế khử trùng của Ag-TiO2 trong điều kiện ánh sáng UV được
rất nhiều nghiên cứu làm rõ thông qua những chứng minh về sự phóng thích
K+, phân rã MDA, phân rã màng tế bào qua hình chụp FE SEM và TEM, cơ
chế về xúc tác quang hoá. Tuy nhiên, cơ chế khử trùng trong điều kiện thiếu

sáng của vật liệu Ag-TiO2 trong bóng tối vẫn chưa được làm rõ. Trong điều
kiện thiếu sáng, khả năng khử trùng của hạt nano Ag-TiO2 lớn hơn hạt nano
TiO2 (Degussa P25) (trơ) hoặc nano bạc, điều này cho thấy rằng, những vật
liệu ghép tạo ra hiệu ứng kháng khuẩn không liên quan đến tính chất quang
học. Hơn nữa, Ag+ phóng thích từ hạt nano Ag-TiO2 ít hơn nano Ag chứng tỏ
khả năng kháng khuẩn của Ag-TiO2 không chỉ gây ra do sự phóng thích ion
kim loại gây độc [25]. Mặc dù có sự giải thích cho quá trình khử khuẩn trong
bóng tối nhưng việc so sánh của nghiên cứu [25] chưa thực sự phù hợp khi
đánh giá hiệu quả khử khuẩn của Ag-TiO2 với nanoAg hay muối AgNO3. Sự
tồn tại của nanoAg trên hạt TiO2 không tương đồng với nanoAg và muối
AgNO3 khi tồn tại riêng lẻ. Vì vậy so sánh này vẫn chưa chứng minh được sự
rõ ràng trong cộng hưởng giữa Ag và TiO2.


7

Cơ sở lý thuyết
a. Vi khuẩn Escherichia coli và tiêu chuẩn nước uống
E.coli là loại vi khuẩn được nghiên cứu nhiều nhất trên thế giới. Vi khuẩn
này thường được dùng như một loại sinh vật mẫu đặc trưng cho nghiên cứu
về sinh học cũng như gen.
Tổ chức y tế thế giới (WHO) đưa ra những hướng dẫn cho các quốc gia
về chất lượng nước uống, trong đó yêu cầu vi khuẩn E.coli là sinh vật chỉ thị
và không có sự tồn tại của vi sinh vật này trong nước uống. Tiêu chuẩn Việt
Nam đối với chất lượng nước ăn uống (QCVN 01:2009/BYT) dùng để ăn uống
hoặc chế biến thực phẩm tại các cơ sở chế biến thực phẩm quy định không có
Coliform tổng số trong 100 ml, Coliform chịu nhiệt hoặc E.coli cũng không
được phép tồn tại.
b. Cơ sở lý thuyết về TiO2
TiO2 là chất bán dẫn tồn tại ở 3 dạng cơ bản sau: Rutile, Anatase và

Brookite. TiO2 là chất rắn màu trắng, khi đun nóng có màu vàng, khi làm lạnh thì
trở lại màu trắng. Tinh thể TiO2 có độ cứng cao, khó nóng chảy (nhiệt độ nóng
chảy là 1870oC)
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 nên tăng cường khả năng xúc tác bề mặt.
 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.
TiO2 Degussa P25
TiO2 Degussa P25 là một trong những chất xúc tác quang thương mại hiệu
quả và sử dụng phổ biến nhất do có diện tích bề mặt cao, hoạt tính quang quá
cao và độ tinh khiết tương đối cao. Hoạt tính cao của Degussa P25 được cho
là do tiềm năng của vùng dẫn trong pha rutile so với pha anatase. Điều này
cho phép những electron quang sinh chuyển từ pha anatase sang rutile ngăn
cản quá trình tái hợp trong anatase. Hoạt tính thấp của rutile có thể là kết quả
của sản phẩm khử của oxy.


8

Quá trình xúc tác quang hoá trên TiO2

Hình 1.13: Cơ chế quang xúc tác trên chất bán dẫn TiO2
c. Nano Ag
Hạt nano bạc là các hạt bạc có kích thước từ 1 nm đến 100 nm. Do có diện
tích bề mặt lớn nên hạt nano bạc có khả năng kháng khuẩn tốt hơn so với các

vật liệu khối do khả năng giải phóng nhiều ion Ag+ hơn.
Cơ quan EPA của Mỹ xác lập tiêu chuẩn tối đa cho phép của bạc trong
nước uống là 0,1mg/lít, trong khi Cộng đồng châu Âu áp dụng tiêu chuẩn tối
đa cho phép là 0,01mg/lít và tại LB Nga là 0,05mg/lít.
d. Phương trình động học khử khuẩn
Nhiều nghiên cứu về mô hình động học khử khuẩn đã được tiến hành cho
quá trình khử khuẩn bằng vật liệu xúc tác quang hóa, hầu hết vẫn dựa trên
những mô hình dùng cho khử trùng hóa học:
-

Mô hình Hom :

-

Mô hình Hom cải tiến:

-

Mô hình Rational:

-

Mô hình Hom Power:

=−
=−
=−
=−

(

1−
(

)
)

(

)


9

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1.

Phương pháp thí nghiệm và phân tích

2.1.1.

Phương pháp điều chế vật liệu

Ethanol + n-propanol + H2O + HNO3

Ethanol + n-propanol + TEOS

Ethanol + n-propanol + TTIP

Khuấy trộn (500 vòng/phút, nhiệt độ

Ethanol + n-propanol + AgNO3 + H2O

Khuấy trộn (1500 vòng/phút, 800C, 1giờ)

Thuỷ phân nhiệt,150oC, 10giờ

Sol-gel

Cô quay chân không, 500C

Sấy 105oC, 2giờ
Nung 3 giờ

Hình 2.1: Sơ đồ điều chế TiO2 – SiO2 (TS) từ Tetra Isopropyl Titanate (TTIP)
Dung dịch chứa vật liệu

Hạt kính/monolith được làm sạch

Định lượng
Nhúng

Sấy 105oC,
2giờ

Nung 550oC,
2 giờ

Hình 2.2: Quy trình phủ Ag-TS lên hạt kính và hạt monolith
2.1.2.

Phương pháp phân tích đặc tính vật liệu Ag-TiO2-SiO2 (Ag-TS)

Phương pháp phân tích tính chất hoá lý của vật liệu Ag-TS:Diện tích bề
mặt riêng, độ tinh thể hoá, phổ hấp thu FI-IR, hình thái bề mặt, kích thước hạt,
nồng độ Ag,…
Phương pháp phân tích tính chất hoá lý của lớp phim mỏng Ag-TS: Phân
tích độ dày lớp phim mỏng, phân tích hình thái bề mặt - SEM.


10

2.1.3.

Phương pháp phân tích vi sinh

Phương pháp phân tích E.Coli (ATCC 25922) trong nước: phương pháp
trãi đĩa (TCVN 9716:2013 – ISO 8199:2005)
Phương pháp phân tích Coliformstrong nước: phương pháp màng lọc
(theo TCVN 8775:2011 và TCVN 6187 - 1: 2009 - ISO 9308 - 1: 2000)
2.1.4.

Đánh giá hiệu quả khử trùng của Ag-TS dạng bột

Hình 2.10: Sơ đồ thí nghiệm đánh giá hiệu quả khử khuẩn của vật liệu Ag-TS
dạng bột
Chi tiết từng thí nghiệm được trình bày trong phụ lục 8. Các thí
nghiệm được thực hiện từ 3 – 5 lần để tính sai số thí nghiệm.

11

2.2.

Phương pháp nghiên cứu mô hình

2.2.1.

Mô hình khử trùng sử dụng ánh sáng đèn UVC

Hình 2.11: Mô hình khử trùng sử dụng ánh sáng UVC (đèn AquaPro 11W)
Bình chứa 4 lít dung dịch NaCl 0,9% đã vô trùng có pH= 6,6-7,0 và sinh
khối E.coli (ATCC 25922) đặt trên bếp từ, dùng cá từ để khuấy đều dung dịch.
2.2.2.

Mô hình khử trùng sử dụng ánh sáng mặt trời

Hình 2.13: Mô hình khử trùng sử dụng vật liệu 1Ag-TS phủ trên hạt kính
dưới ánh sáng mặt trời khử khuẩn E.coli (ATCC 25922)

Hình 2.15: Mô hình khử trùng nước thực tế sử dụng ánh sáng mặt trời kết
hợp hạt kính cường lực phủ 1Ag-TS


12
2.2.3.

Cột nhồi Ag-TS trong điều kiện thiếu sáng
Trong thí nghiệm đánh
giá hiệu quả diệt khuẩn của

vật liệu 10Ag-TS ở dạng
lớp phim mỏng phủ lên chất
mang là hạt monolith với
kích thướt hạt từ 0,45 – 0,9
mm. Hạt sứ monolith phủ
vật liệu 10Ag-TS sẽ được
nhồi vào cột. Bình thủy tinh
chứa mẫu nước giả lập chứa
khuẩn
E.coli
(ATCC
25922)

Hình 2.17: Mô hình cột nhồi dòng liên tục đánh giá hiệu quả diệt khuẩn của vật
liệu 10Ag-TS ở dạng lớp phim mỏng phủ hạt monolith)
2.4. Ag+ phóng thích
Đánh giá lượng Ag+ phóng thích trong mô hình tĩnh và mô hình liên tục theo
thời gian.
2.5. Phương pháp thống kê, xử lý số liệu
Phần mềm Excel Solver và Sigma Plot 10.0 để xử lý số liệu
2.6. Cơ sở lựa chọn nguồn nước
2.6.1.

Nguồn nước sông

Kết quả phân tích cho thấy nước sông Tiền và sông Hậu các chỉ tiêu độ đục,
sắt tổng và Coliforms của nước sông không đạt tiêu chuẩn QCVN 01:2009/BYT.
Mẫu nước sông sau khi lắng phèn độ đục không phát hiện, an toàn với người sử
dụng chỉ có chỉ tiêu Coliform tổng số vượt quy chuẩn QCVN 01:2009/BYT.
2.6.2. Nguồn nước giếng

Nước giếng là một trong những nguồn nước cấp quan trọng cho người dân Việt
Nam. Hiện nay, một số khu vực chưa tiếp cận nguồn nước máy, người dân phải sử
dụng nguồn nước giếng cho các hoạt động sinh hoạt ăn uống. Trong phần nghiên
cứu này, nguồn nước giếng trong nghiên cứu sử dụng ở khu vực Thủ Đức, Tp.HCM


13

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Đặc tính vật liệu Ag-TS
Phương pháp
Kết quả
Độ tinh thể Độ tinh thể hóa của Ag-TS>Ag-TiO2 (P25)> TS
hóa(XRD)
Đỉnh của Ag xuất hiện ở các vị trí 2= 38,1o, 44,5o và 64,3o
Đỉnh SiO2 phân bố tại vị trí 2= 20,8o, 25,6o và 26.6o
Phổ EDX
Sự phân bố kim loại Ag lên bề mặt TiO2 không đồng đều
Quang
phát
nguyên
AAS

phổ 1% mol Ag/mol TiO2 (1,23 % g Ag/ g Ag-TS ) tương đương
xạ nồng độ thực tế 0,4% g Ag/ g Ag-TS
tử 10% mol Ag/ mol TiO2 (11,05% g Ag/g Ag-TS tương đương
nồng độ thực tế 3,3% g Ag/g Ag-TS
Phương pháp TP có năng lượng miền cấm là 3,24 eV
UV-Vis DRS
Bổ sung SiO2, 3,18 eV ; Bổ sung Ag, 3,0 eV

Phương pháp Phổ FI-IR nhóm –OH trên bề mặt của SiO và TiO; SiO2-TiO2,
FI-IR
SiO2-TiO2-Ag2 và SiO2-TiO2-Ag3; Si-O-Si và Ti-O-Ti
Khi nồng độ Ag lớn (10%), cường độ đỉnh nhóm Ti-O-Ti tăng
Diện tích bề Bổ sung thêm SiO2 đã làm tăng rõ rệt diện tích bề mặt so với TP
mặt)
(164,5 so với 53,1 m2/g)
Bổ sung Ag vào mạng tinh thể, diện tích bề mặt giảm
Hình thái của Hạt Ag-TS thì có kích thước nhỏ, kết tụ lại thành chùm, các hạt
vật liệu (TEM) cơ sở có hình cầu
Ag-TS 1% và 10% có kích thước 10,56 và 11,55 nm
Phương pháp Kích thước hạt chủ yếu là từ 10 – 100 µm
DLS
Phương pháp Ag tồn tại ở dạng Ag0 trong vật liệu Ag-TS
XPS
Có sự tương tác hóa học giữa Ag và TiO2, làm cho năng lượng
liên kết của Ag3d và Ti2p giảm
Chuẩn độ điện PZC của 1Ag-TS được xác định lên đến 7.6 và 10Ag-TS là 8,0
thế, pHzpc
Kính hiển vi Bề dày của lớp phủ 1Ag-TS trên bề mặt hạt kính vào khoảng
điện tử quét 0,919 m đến 1,17m
SEM


14
3.2. Hiệu quả cộng hưởng của TiO2 khi kết hợp với Ag
3.2.1. Sự cộng hưởng của vật liệu Ag-TiO2 dạng bột
Hiệu quả khử khuẩn của Ag-TP
được đánh giá cao hơn hẳn so với các
thành phần riêng lẻ của chúng như

TiO2(P25) (TP) hay AgNO3 và hỗn hợp
TP – AgNO3 dưới cùng điều kiện. Điều
này có thể được giải thích như sau:
(i) TP do năng lượng miền cấm
của TiO2 (P25) là 3,2eV nên dưới điều
kiện ánh sáng UV λ< 387 nm có khả
năng kích thích electron trong vùng hóa
trị nhảy lên vùng dẫn để tạo ra lỗ trống,
Thoi gian, phut
tạo ra các gốc oxy hóa tự do có khả
năng diệt khuẩn;
Hình 3.2: Hiệu quả cộng hưởng trong khử
E.coli của vật liệu Ag-TP dưới UVC
(ii) Thế oxi hóa khử của lỗ trống
trong TiO2 là +2,5V và nhóm hydroxyl
là +1,9V, do đó diễn ra quá trình oxi hóa Ag thành Ag+ ((Ag0/Ag+) = 0,7996V).
Hơn nữa, thế oxy hóa của Ag giảm khi kích thước bạc giảm, do đó nanoAg có thể
dễ dàng oxy hóa hơn
(iii) Bạc gắn trên TiO2 có thể hoạt động như một bẫy bắt giữ electron tạo ra từ
TiO2, do đó, ngăn cản khả năng tái hợp
của electron và lỗ trống, giúp hoạt tính
của Ag-TP cao hơn so với TP và AgNO3
riêng lẻ.
7

6

UVC _TiO2-P25
UVC_AgNO3
UVC_AgNO3&TiO2-P25

UVC_1%cAg-TiO2 (P25 )

Log(E.coli)

5

4

3

2

1

0

0

5

10

15

20

25

30

8

6

Log (E.coli)

Trong điều kiện bóng tối, tốc độ
diệt khuẩn E.coli của TP tăng nhẹ sau
120 phút tiếp xúc do khả năng hấp phụ
vi khuẩn lên bề mặt của vật liệu TP
(Hình 4.2). Đặc biệt, vật liệu Ag-TP cho
hiệu quả diệt khuẩn cao hơn hẳn muối
AgNO3. Điều này cho thấy sự cộng
Thoi gian, phut
hưởng giữa TiO2 và Ag khi kết hợp với
Hình 3.3: Hiệu quả cộng hưởng trong khử
nhau tồn tại khi thiếu sáng. Kết quả này
khuẩn E.coli của vật liệu Ag-TP dưới điều
do:
kiện thiếu sáng
(i) Diện tích bề mặt của vật liệu TS
cao hơn TP nên Ag phân bố nhiều và đồng đều hơn trên toàn bộ bề mặt hạt TiO2,
dẫn đến tăng hiệu ứng
4

2

0

Dark -TiO2 (P25)

Dark -10%Ag-P25
Dark -AgNO3
Dark- AgNO3 & TiO2 (P25)

-2

0

20

40

60

80

100

120


15
(ii) Kích thước hạt Ag điều chế bằng phương pháp sol-gel đều hơn và nhỏ hơn
nên tăng khả năng tiếp xúc với vi khuẩn hơn.
3.2.2. Sự cộng hưởng của vật liệu Ag-TiO2 phủ trên giá thể monolith
7
7

6

6

5

log(N)

Log(E.coli)

5

4

3

4

3
monolith Tro
M-TiO2 (P25)
M-AgNO3
M-AgNO3-TiO2 (P25)
M-10%Ag-P25

2

2

1

1

0

20

40

60

80

Thoi gian, phut

100

120

140

0

20

40

60

80

100

120

140

Thoi gian tiep xuc, phut

Hình 3.6: Hiệu quả khử khuẩn E.coli trong điều kiện thiếu sáng của Ag-TiO2
Để chứng minh rõ ràng hơn về tính cộng hưởng này, AgNO3 và TP được phủ
lớp phim mỏng lên monolith trong điều kiện không có sự gắn kết trước giữa Ag và
TiO2. Kết quả cho thấy M-AgNO3&TP khử khuẩn kém hơn M-Ag-TP nhưng cao
hơn bạc và TiO2 riêng lẻ. Lý do có thể là lượng Ag bám trên TiO2 không chặt nên sự
cộng hưởng không rõ ràng. Vật liệu M-Ag-TS có lượng bạc phân bố đồng đều hơn
vì kích thước hạt của TiO2 - SiO2 nhỏ hơn so với TP (9nm so với 21 nm) nên hiệu
quả khử khuẩn cao hơn so với Ag-TP điều chế bằng phương pháp tẩm ướt.
3.3. Hiệu quả khử trùng của vật liệu Ag-TS dạng bột
Hiệu quả khử khuẩn tăng khi nồng độ Ag pha tạp tăng từ 0,5 đến 1%, nhưng
khi nồng độ Ag pha tạp cao hơn, 2%, 5% và 10% thì hiệu quả không tăng (đạt 6
log ở 20 phút). Điều này cho thấy nồng độ Ag pha tạp cao có thể gây cản trở năng
lượng ánh sáng từ mặt trời tiếp xúc với hạt TiO2, hạn chế quá trình xúc tác quang
hóa.
Trong điều kiện bóng tối, hiệu quả tăng dần khi nồng độ Ag tăng từ 1 đến 10%.
Tuy nhiên, khi nồng độ Ag tăng lên 25% và 50% thì hiệu quả khử khuẩn giảm. Như
vậy lượng Ag pha tạp tốt nhất trong điều kiện bóng tối là 10%. Lượng Ag không quá
lớn giúp giảm được chi phí trong điều chế vật liệu.
3.4. Phương trình động học khử khuẩn của vật liệu Ag-TS
Tất cả các mô hình gần như tương thích với số liệu thực nghiệm của khả năng
khử trùng của vật liệu 10Ag-TS trong điều kiện bóng tối, đều không tuyến tính.
Các mô hình được xử lý bằng số liệu Excel Solver cùng với mức độ tương quan
giữa các mô hình R2> 98%. Tuy nhiên, mô hình Hom cải tiến cho mức độ tương

16
thích cao nhất R2 = 99,87%, trong khi mô hình Hom bị giới hạn ở độ tương thích
trong pha giảm ban đầu và pha đuôi ở cuối phương trình.
Bảng 3.4: Hệ số động học trong các mô hình lý thuyết cho quá trình khử
khuẩn E.coli bằng 10Ag-TS trong điều kiện thiếu sáng (0,5g/l)
Phương trình
động học

k3

m

n

x

R2

-

-

0,2707

1,2995

-

0,9822

0,035

0,6261

-

-

-

0,9987

-

-

0,5967

0,012

1,16

0,9888

-

-

-

0,000

1,3067

0,9910

k1

k2

-

6,3633

Hom Power

0,3596

-

Rational Model

0,0314

-

Hom model

k
4,4774

Modified Hom

0

0

Du lieu thuc nghiem
Mo hinh Hom cai tien
Mo hinh Rational
Mo hinh Hom Power
Mo hinh Hom

-1

Mô hình Hom
Mô hình Hom cai tien
Mo hinh Hom-power
Mo hinh Rational
So lieu thuc nghiem

-2

Log(N/No)

Log(N/No)

-2

-3

-4

-4

-5

-6

-6

-7
0

20

40

60

80

100

120

0

20

Thoi gian , phut

40

60

80

Thoi gian, phut

Hình 3.22: Mô hình động học khử khuẩn lý thuyết và thực nghiệm của 10Ag-TS
trong điều kiện thiếu sáng (a) và 1Ag-TS dưới ánh sáng mặt trời
Số liệu thực nghiệm được đánh giá dưới điều kiện ánh sáng mặt trời >70Klux
(19W/m2), nồng độ vật liệu là 0,2 g (1Ag-TS)/l. Mô hình Hom có độ tương thích
khá thấp, chỉ 0,8631 trong khi mô hình Hom cải tiến vẫn cho độ tương thích cao
nhất, R2 = 0,9949.
Bảng 3.5. Hệ số động học trong các mô hình lý thuyết cho quá trình khử
khuẩn E.coli bằng 1Ag-TS dưới điều kiện ánh sáng mặt trời (0,2g/l)
n
0,07
-

x

2,041

m
0,3069

-

-

R2
0,8631
0,9949

-

3,631
-

1,088
0,002

2,074
1,289

0,9336
0,9175

PT động học
Hom model
Modified Hom

k
1,991
-

k1

k2

k3

5,807

0,202

Hom Power
Rational Model

5.106
0,0705

-

-


17
Hàm lượng vật liệu Ag-TS
Trong điều kiện ánh sáng mặt trời, nồng độ vật liệu xúc tác quang tăng không
dẫn đến tăng hiệu quả diệt khuẩn, hiệu quả diệt khuẩn giảm dần với C=0,2 g/l >
0,5 g/l > 0,4g/l> 0,3 g/l. Phương trình động học Hom cải tiến được xây dựng cho
các lượng vật liệu 1Ag-TS khác nhau đều cho thấy sự tương thích của mô hình
trong khử khuẩn của vật liệu.
Trong điều kiện bóng tối, hàm lượng vật liệu không ảnh hưởng đến khả năng
xúc tác quang hóa do không bị ảnh hưởng bởi ánh sáng tới. Kết quả cho thấy hàm

lượng vật liệu tăng thì hiệu quả khử khuẩn tăng, tuy nhiên, hàm lượng 0,6 g 10%
Ag-TS/l hiệu quả không tăng so với nồng độ 0,5g/l.
Nồng độ E.coli đầu vào (103 – 106 CFU/ml)
Trong điều kiện bóng tối, tốc độ khử khuẩn nhanh của nồng độ vi khuẩn cao
nhanh hơn ở nồng độ vi khuẩn thấp trong thời gian 30 phút đầu. Điều này có thể
giải thích là do trong điều kiện thiếu sáng nồng độ vi khuẩn cao không cản trở ánh
sáng xuyên qua mà lại tăng xác suất tiếp xúc giữa vi khuẩn và chất xúc tác và giảm
mức độ vận chuyển trên bề mặt chất xúc tác.
Tuy nhiên, sau 30 phút tiếp xúc vật liệu, các nồng độ khảo sát đều có hiệu quả
và tốc độ xử lý như nhau. Phương trình động học Hom cải tiến được xây dựng cho
các nồng độ E.coli đầu vào khác nhau đều cho thấy sự tương thích của mô hình
trong khử khuẩn của vật liệu 10Ag-TS.
pH trong nước đầu vào
Phương trình động học khử khuẩn Hom cải tiến có độ tương thích không cao
ở những dãy pH thấp 4-6 trong điều kiện thiếu sáng. Phân tích theo phương pháp
thống kê Durbin-Watson cho thấy không phù hợp hoàn toàn ở pH 4-6. Hệ số P cho
các giá trị k1, k2, k3 đều lớn hơn rất nhiều 0,05. Trong khi đó, pH của nước đầu vào
từ 7-9 cho thấy phù hợp rất cao với phương trình động học này, R2> 0,99.
2.5
2

180
Lưu lượng nước trong ống

150

Nồng độ E.coli trong nước đầu ra

120

1.5

90

1

60

0.5

30

0

0
0.98 1.34 2.09 2.61 4.55 6.0 7.5 10.0 16.7
Thời gian lưu nước, phút

Hình 3.28: Hiệu quả diệt E.coli của 1Ag-TS
phủ hạt kính với HRT và lưu lượng

Lưu lượng, mL/phút

Lượng vật liệu 1Ag-TS
tham gia trong mô hình kết
hợp ánh sáng đèn UVC được
tính toán là 0,98 g.
Mô hình khử trùng nước
bằng vật liệu 1Ag-TS phủ lớp
phim mỏng lên hạt kính

cường lực kết hợp với ánh

3
Log(E.coli còn lại)

3.5. Mô hình khử trùng vật
liệu Ag-TS kết hợp đèn
UVC


18
sáng đèn UVC đạt hiệu quả diệt khuẩn 100% với nguồn nước giả lập vi khuẩn
E.coli (ATCC 25922) khi vận hành với HRT = 6 phút (lưu lượng 25 ml/phút), ở
pH từ 5 -8. Nồng độ vi khuẩn giả lập trong nước dao động từ 103- 106 CFU/ml
không ảnh hưởng đến hiệu quả diệt khuẩn của mô hình (đạt 100%)
49

HRT =6 phút

Sông Hậu

24

Coliforms đầu ra, CFU/ 100 mL

Coliforms đầu ra, CFU/100 mL

29

19

14
9
4
-1

HRT =10 phút
100

130

160

190

220

SôngTiền

39
29
19
9
-1

250

0

200

Coliforms trong nước đầu vào CFU/100 mL

400

600

800

Coliforms trong nước đầu vào, CFU/100ml

Hình 3.31: Hiệu quả diệt Coliforms của mô hình UVC+1Ag-TS
Với nguồn nước sông Tiền và sông Hậu, mô hình đạt kết quả diệt khuẩn 100%
ứng với thời gian lưu cao hơn nguồn nước giả lập (10 phút so với 6 phút). Nồng độ
vi khuẩn trong nước sông ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả của mô hình, khi nồng
độ Coliforms trong nước sông > 350 CFU/100 ml thì hiệu quả diệt khuẩn ởHRT=10
phút không đạt 100%. Hiệu suất diệt khuẩn vẫn đạt 100% mô hình vận hành được
86 lít nước/g vật liệu, mặc dù nồng độ vi khuẩn trong nước đầu vào dao động từ 35
– 151 CFU/100ml.
3.6. Mô hình khử trùng Ag-TS kết hợp ánh sáng mặt trời

8
D=2 cm
D=2.5 cm
D=2.7 cm
D=3 cm

6

logN

Mô hình khử trùng nước bằng
vật liệu 1Ag-TS phủ lớp phim mỏng
lên hạt kính kết hợp với ánh sáng
mặt trời đạt hiệu quả diệt khuẩn
100% với nguồn nước giả lập vi
khuẩn E.coli (ATCC 25922) khi vận
hành với HRT = 5,6 phút (Q= 20
ml/phút), đường kính ống D = 2 cm,
chiều dài ống L = 80 cm, độ sáng
>40 Klux.
Với nguồn nước thực tế là nước
giếng, mô hình đạt kết quả diệt
khuẩn 100% ứng với thời gian lưu
giống nguồn nước giả lập HRT = 5,6

4

2

0

0

2

4

6

8

10

12

14

Thoi gian luu nuoc, phut

Hình 3.36:Thời gian lưu nước đến hiệu
quả khử Coliforms nguồn nước giả
lập


19

Coliforms/100mL

phút (Q=60 ml/phút/3 ống) nhưng
600
Coliforms trong nước đầu vào
ở độ sáng cao hơn (70 klux so với
500
Coliforms trong nước đầu ra
40 Klux). Nồng độ vi khuẩn trong
400
nước giếng thấp (<168 CFU/100
300
200
mL) nên không ảnh hưởng đáng kể

100
đến hiệu quả của mô hình khi độ
0
chiếu sáng > 70 Klux.
HRT=5.62 HRT=7.5 HRT=11.24 HRT=16.86
Khác với nguồn nước giếng,
Q=60mL/ph Q=45mL/ph Q=30mL/ph Q=20mL/ph
nguồn nước sông có nồng độ vi
khuẩn đầu vào cao hơn (14 –
Hình 3.41: Thời gian lưu nước đến hiệu
500 so với 0 – 168 CFU/100ml).
quả khử Coliforms nguồn nước sông
Ngoài ra, chủng loại vi khuẩn trong nước sông cũng phức tạp hơn trong nước giếng.
Do đó, mô hình vận hành nước sông đạt kết quả diệt khuẩn 100% ứng với thời gian
lưu cao hơn nguồn nước giả lập và nước giếng, 7,5 phút so với 5,6 phút (tương ứng
Q=45ml/phút/3 ống so với Q=60 ml/phút/3 ống). Nồng độ vi khuẩn trong nước
sông đầu vào cũng ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả của mô hình, khi nồng độ
Coliforms trong nước sông lên đến 500 CFU/100 ml thì hiệu quả diệt khuẩn ở HRT
= 16,86 phút vẫn không đạt 100%. Ở nồng độ vi khuẩn thấp hơn ≤ 320 CFU/100
ml, độ chiếu sáng > 70 Klux, mô hình có khả năng diệt khuẩn đạt 100% trong 100
ml nước khảo sát ứng với HRT ≥ 7,5 phút.

Cột khử trùng nước bằng vật
liệu 10Ag-TS phủ lớp phim mỏng
lên hạt monolith trong điều kiện
thiếu sáng đạt hiệu quả diệt khuẩn
100% với nguồn nước giả lập vi
khuẩn E.coli khi vận hành với lưu
lượng 0,4ml/phút (HRT = 20
phút), đường kính ống D =

10mm, chiều dài ống L =200 mm.

8

1.8
1.5

Log(E.coli còn lại)

Lượng vật liệu 10Ag-TS
trung bình tham gia vào mô hình
bóng tối là 40,12 mg (11 ml –
19,02 g monolith phủ 10Ag-TS).

6
1.2

4

0.9
0.6

2
0.3

0

0
0

5

10
15
20
25
30
Thời gian lưu nước, phút
Monolith không phủ
Monolith phủ 10%Ag-TiO2-SiO2
Lưu lượng, mL/phút

Hình 3.44 : Ảnh hưởng của thời gian lưu nước
đến hiệu quả khử E.coli của cột khử trùng

Lưu lượng, mL/phút

3.7. Mô hình khử trùng vật liệu Ag-TS trong điều kiện thiếu sáng


20
150
Coliforms, CFU/100 mL

Nguồn nước giếng lấy tại khu
vực Thủ Đức, Tp.HCM có nồng độ
vi khuẩn dao động trong khoảng 0
– 101 CFU/100ml. Sau khi nước
giếng được khử trùng bằng cột
chứa vật liệu 10Ag-TS phủ trên

monolith, nồng độ vi khuẩn đầu ra
dao động từ 0 – 16 CFU/100 ml.
Nồng độ vi khuẩn đầu ra phụ thuộc
rất lớn vào lượng vi khuẩn đầu vào.
Khi nồng độ vi khuẩn đầu vào >57
CFU/100 ml thì hiệu quả diệt
khuẩn không đạt 100%.

Coliforms đầu vào
Coliforms đầu ra

100

50

0
0

200
400
600
Lượng nước/vật liệu, L/g

800

Hình 3.47: Hiệu quả khử Coliforms của
cột khử trùng sử dụng 10Ag-TS phủ trên
monolith với nguồn nước giếng (Q=0,4
ml/phút)

3.8. Đánh giá sự phóng thích của vật liệu trong môi trường nước
Với mô hình ứng dụng nguồn nước thực tế, vật liệu được rửa bỏ 5 lít nước ban
đầu và cho tiến hành đo lượng Ag+ và lượng Ti+ phóng thích ra môi trường nước.
Khảo sát đo đạc trong 53h với thời gian lưu nước khác nhau nhằm đánh giá sự bong
tróc của vận liệu khi dòng nước thay đổi vận tốc (lưu lượng cao hơn lưu lượng tối
ưu 20 mL/phút). Lượng Ag+, Ti+ phóng thích ra môi trường nước rất thấp, chỉ
khoảng 1 ppb thấp hơn rất nhiều so với tiêu chuẩn nước ăn uống của WHO (tiêu
chuẩn là 0,1 ppm).

Vật liệu phóng thích, ppb

80
Ag+ phóng thích, ppb
60

Ti phóng thích, ppb
Vật liệu Ag-TS phóng thích

40
20
0
5.6

4.5
3.7
2.9
Thời gian lưu nước, cm/phút

2.2

Hình 3.52: Lượng vật liệu phóng thích trong mô hình sử dụng vật liệu 1Ag-TS
phủ trên hạt kính dưới ánh sáng mặt trời


21
3.9.

Đề xuất quy trình xử lý nước sử dụng vật liệu Ag-TS
Nước sông

Lắng phèn

Lọc cát

Đạt yêu cầu
bảng 3.15
Lọc than

1Ag-TS phủ trên hạt
kính kết hợp đèn UVC

1Ag-TS phủ trên hạt
kính kết hợp ánh sáng
mặt trời

Nước uống đạt tiêu chuẩn QCVN
01:2009/BYT

Hình 3.53: Sơ đồ công nghệ xử lý nước sông bằng vật liệu Ag-TS phủ trên hạt kính
Bảng 3.15: Điều kiện xử lý nước sông trước khi đưa vào hệ thống khử trùng (các

tiêu chuẩn khác phải đạt QCVN 01:2009/BYT)
Khoảng
pH hiệu
quả

Giới hạn VK
để đạt hiệu
quả100%

Độ sáng,
Klux

Thời gian
lưu nước,
phút

Lưu
lượng,
ml/phút

Mô hình UVC +
1Ag-TS

5 – 7,6

<350 CFU

-

≥10

15

Mô hình ASMT
+ 1Ag-TS

5 – 7,6

<320 CFU

≥70

≥7,5

45


22
Nước giếng

Lọc cát

Đạt yêu cầu
bảng 3.15

Đạt yêu cầu
bảng 3.16

Lọc than

1Ag-TS phủ trên hạt
kính kết hợp ánh sáng
mặt trời

10Ag-TS phủ trên
hạt monolith

Nước uống đạt tiêu chuẩn QCVN
01:2009/BYT

Hình 3.54: Sơ đồ công nghệ xử lý nước giếng bằng vật liệu Ag-TS phủ trên hạt kính

Bảng 3.16: Điều kiện xử lý nước giếng trước khi đưa vào hệ thống khử trùng (các
tiêu chuẩn khác phải đạt QCVN 01:2009/BYT)

Mô hình ASMT
+ 1Ag-TS
Mô hình thiếu
sáng 10Ag-TS

Khoảng
pH hiệu
quả tốt

VK tối đa để
đạt hiệu
quả100%

Độ
sáng,

Klux

Thời gian
lưu nước,
phút

Lưu lượng,
ml/phút

5 – 7,6

< 168 CFU

≥70

≥ 5,6

60

7-8

<57 CFU

-

≥ 20

0,5

23

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. Kết luận
Quá trình nghiên cứu đạt được những kết quả sau:
(1) Tính cộng hưởng: việc kết hợp bạc với TiO2 đã làm tăng hoạt tính kháng
khuẩn E.coli trong điều kiện ánh sáng và cả trong điều kiện thiếu sáng. Kết quả
khử khuẩn của Ag-TiO2 phủ lớp phim mỏng trên hạt monolith cho thấy hiệu quả
cao hơn hẳn so với chỉ có Ag hoặc TiO2. Ngoài ra, AgNO3&TiO2-P25 phủ lên hạt
monolith có hiệu quả khử khuẩn E.coli kém hơn vật liệu Ag-TiO2-P25 phủ lên
monolith nhưng cao hơn bạc và TiO2 riêng lẻ. Vật liệu điều chế bằng phương pháp
sol gel Ag-TS cho hiệu quả khử trùng cao hơn hẳn so với Ag-TiO2-P25 khi phủ lên
monolith.
(2) Đặc tính vật liệu:
Liên kết giữa Ag và TiO2 trong vật liệu Ag-TS là liên kết hóa học.
Năng lượng miền cấm của vật liệu TS giảm xuống khi có bổ sung Ag (3,18
eV của TS còn 3,0 eV của 1Ag-TS) nên trong điều kiện ánh sáng khả kiến (400 –
700 nm) vật liệu 1Ag-TS vẫn đạt hiệu quả cao.
Kích thước hạt và diện tích bề mặt riêng của vật liệu có những ảnh hưởng
đáng kể đến hiệu quả khử khuẩn của vật liệu.
Kích thước vật liệu nano 1Ag-TS là 11,35 nm; 10Ag-TS là 11,50 nm. Diện
tích bề mặt riêng của vật liệu cao (BET của 1Ag-TS và 10Ag-TS lần lượt là 147,3
và 114,1 m2/g).
(3) Phương trình động học khử khuẩn Hom cải tiến trong điều kiện thiếu sáng
nồng độ vật liệu là 0,5 g (1Ag-TS)/l cho độ tương thích cao nhất, R2 = 0,9987 và
dưới điều kiện ánh sáng mặt trời >70Klux (19W/m2), nồng độ vật liệu là 0,2 g
(1Ag-TS)/l có độ tương thích cao nhất, R2 = 0,9949.
(4) Vật liệu Ag-TS điều chế bằng phương pháp sol gel phủ lên giá thể hạt kính
và hạt monolith đạt được những hiệu quả đáng kể về khả năng diệt khuẩn khi ứng
dụng trong mô hình khử khuẩn dưới điều kiện ánh sáng UVC, ánh sáng mặt trời và

trong điều kiện thiếu sáng. Kết quả đạt được như sau:


24

-

Mô hình khử trùng nước bằng vật liệu 1Ag-TS phủ lớp phim mỏng lên hạt
kính (0,45 - 0,9 mm) kết hợp với ánh sáng đèn UVC được thiết kế gọn nhẹ,
với 0,98g vật liệu 1Ag-TS. Mô hình cho thấy hiệu quả của việc sử dụng 1AgTS cao hơn so với không sử dụng vật liệu rất nhiều lần.

-

Mô hình khử trùng nước bằng vật liệu 1Ag-TS phủ lớp phim mỏng lên hạt
kính (0,45 - 0,9 mm) kết hợp với ánh sáng mặt trời tự nhiên được thiết kế gồm
3 ống thủy tinh D = 2 cm, L = 80 cm phơi trực tiếp dưới ánh sáng mặt trời.
Khả năng xúc tác quang hóa của vật liệu 1Ag-TS đạt được rất cao khi độ sáng
>70 Klux.

-

Mô hình khử trùng nước bằng vật liệu 10Ag-TS phủ lớp phim mỏng lên hạt
monolith (0,45 - 0,9 mm) trong điều kiện thiếu sáng được thiết kế đơn giản
như một cột lọc. Nước đi qua lớp vật liệu, vi khuẩn tiếp xúc với vật liệu. Cột
khử trùng được thí nghiệm có D = 1 cm, L = 20 cm. Thời gian lưu đạt hiệu
quả khử khuẩn 100% là 20 phút (0,4 ml/phút).

-

Lượng Ag+ phóng thích ra môi trường (~ 1ppb) thấp hơn rất nhiều so với tiêu

chuẩn nước uống của WHO (dưới ngưỡng phát hiện).
2. Kiến nghị

Nghiên cứu cho thấy nhiều kết quả khả thi để ứng dụng vật liệu Ag-TS trong
khử trùng nước, tuy nhiên, nghiên cứu cũng còn một số thí nghiệm cần bổ sung
như sau:
-

Đánh giá độ bền của vật liệu trong mô hình khử trùng theo thời gian: đánh
giá lượng TiO2 trôi ra khỏi giá thể.

-

Đánh giá khả năng khử trùng của vật liệu Ag-TS với với các đối tượng vi
khuẩn khác.