Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano bạc trên Polyurethane mút xốp nhằm xử lý nguồn nước uống nhiễm khuẩn : Luận văn ThS. Vật liệu và linh kiện Nano

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
PTN CÔNG NGHỆ NANO

ĐỖ BÁCH KHOA

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO BẠC
TRÊN POLYURETHANE MÚT XỐP NHẰM XỬ LÝ
NGUỒN NƯỚC UỐNG NHIỄM KHUẤN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Thành phố Hồ Chí Minh - 2010


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

PTN CÔNG NGHỆ NANO

ĐỖ BÁCH KHOA

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO BẠC
TRÊN POLYURETHANE MÚT XỐP NHẰM XỬ LÝ
NGUỒN NƯỚC UỐNG NHIỄM KHUẤN

Chuyên ngành: Vật liệu và Linh kiện Nanô
(Chuyên ngành đào tạo thí điểm)

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Người hướng dẫn khoa học : TS. Nguyễn Thị Phương Phong

Thành phố Hồ Chí Minh - 2010


LỜI CẢM ƠN!
Trong quá trình thực hiện đề tài này, em luôn nhận đƣợc sự giúp đỡ tận tình của
quý thầy cô, gia đình và bạn bè.
Trƣớc tiên, em xin chân thành cảm ơn cô TS. Nguyễn Thị Phƣơng Phong đã
luôn giúp đỡ và động viên em trong suốt quá trình thực hiện đề tài này.
Em cũng xin chân thành cảm ơn Ban Giám Đốc cùng toàn thể nhân viên Phòng
Thí Nghiệm Công Nghệ Nano – ĐHQG TP.HCM đã tạo mọi điều kiện tốt nhất để em
có thể hoàn thành đề tài này.
Tôi xin chân thành cảm ơn Th.s Ngô Võ Kế Thành và C.N Phan Huê Phƣơng PTN Công nghệ nano – ĐHQG TP.HCM đã giúp tôi trong quá trình tạo mẫu và phân
tích mẫu.
Cuối cùng tôi xin cảm ơn gia đình đã luôn động viên, chia sẽ trong suốt quá
trình thực hiện luận văn này.
Xin chân thành cảm ơn.

Đỗ Bách Khoa


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình của tôi và nhóm nghiên cứu. Các kết quả

trong luận án là trung thực và không sao chép trong bất cứ công trình nào khác.

Đỗ Bách Khoa


MỤC LỤC
Trang bìa phụ
Lời cảm ơn
Lời cam đoan
Mục lục
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
Danh mục các bảng
Danh mục các đồ thị & sơ đồ
Danh mục các hình vẽ
Lời nói đầu
Tình hình nghiên cứu đề tài nano bạc trên thế giới và ở Việt Nam

Chƣơng 1 TỔNG QUAN .............................................................................................. 1
1.1 NGUỒN NƢỚC NHIỄM KHUẨN – TÁC NHÂN GÂY BỆNH........................ 2
1.1.1 Các vi sinh vật gây bệnh trong nƣớc…………………………………….. 2
1.1.2 Các vi sinh vật chỉ thị mức độ vệ sinh của nƣớc………………………… 2
1.1.3 Các chỉ tiêu vi sinh vật trong nƣớc .............................................................. 4
1.2 CÁC BIỆN PHÁP XỬ LÍ NGUỒN NƢỚC ........................................................... 7
1.2.1.Khử trùng bằng đun sôi ................................................................................. 7
1.2.2.Khử trùng bằng chlor dang bột hoặc nƣớc Javel ........................................... 7
1.2.3.Khử trùng bằng tia UV.................................................................................. 7
1.2.4.Xử lý bằng dung dịch iod..............................................................................8
1.2.5.Các biện pháp khác.......................................................................................8
1.3 VẬT LIỆU NANO.................................................................................................. 8
1.3.1 Khoa học, công nghệ và vật liệu nano ......................................................... 8

1.3.2 Tính chất vật liệu nano................................................................................. 9
1.3.3 Phân loại vật liệu nano ............................................................................... 13
1.3.4 Hạt nano kim loại ....................................................................................... 14
1.3.5 Phƣơng pháp chung chế tạo hạt nano kim loại .......................................... 14
1.3.6 Các phƣơng pháp cụ thể điều chế hạt nano Ag ......................................... 16
1.3.7 Chất ổn định hạt nano Ag .......................................................................... 19
1.4 TÍNH CHẤT KHÁNG KHUẨN CỦA HẠT NANO KIM LOẠI ....................... 20
1.5 ỨNG DỤNG CỦA NANO BẠC .......................................................................... 23
Chƣơng 2 THỰC NGHIỆM ....................................................................................... 24
2.1 PHƢƠNG PHÁP CHẾ TẠO DUNG DỊCH KEO NANO BẠC.......................... 25
2.1.1 Hóa chất ..................................................................................................... 25
2.1.2 Thiết bị và dụng cụ .................................................................................... 25
2.1.3 Qui trình điều chế………………………………………………………..25
2.1.4 Thuyết minh qui trình……………………………………………………26
2.2 PHƢƠNG PHÁP CHẾ TẠO VẬT LIỆU P.U TẨM NANO BẠC……………..27
2.2.1 Phƣơng pháp ngâm tẩm ............................................................................. 27
2.2.2 Phƣơng pháp in – situ ...............................................................................27
2.3 PHƢƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH TÍNH KHÁNG KHUẨN CỦA DUNG DỊCH
KEO NANO BẠC VÀ VẬT LIỆU PU TẨM NANO BẠC ......................................... 28
2.3.1 Chủng vi sinh vật và nguồn nƣớc ............................................................. 28
2.3.2 Hóa chất và nguyên liệu............................................................................. 29
2.3.3 Thiết bị và dụng cụ .................................................................................... 31
2.3.4 Khảo sát tính kháng khuẩn của dung dung dịch nano bạc ......................... 31
2.3.5 Khảo sát tính kháng khuẩn của màng polyurethane có chứa nano bạc ..... 32
2.3.6 Phƣơng pháp phân tích Coliforms, E.coli từ nguồn nƣớc do Công Ty
Thành Long cung cấp trƣớc và sau khi xử lý với tấm PU/Ag......................................33
2.3.7 Phƣơng pháp phân tích hóa lý dung dịch nano bạc và vật liệu P.U/Ag .... 35

Chƣơng 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ...................................................................... 36
3.1 CHẾ TẠO DUNG DỊCH NANO BẠC ................................................................ 37
3.1.1 Xác định sự hiện diện của hạt nano bạc và thời gian phản ứng ................ 37
3.1.2 Xác định kích thƣớc hạt nano bạc……………………………………… 46
3.1.3 Xác định độ bền, ổn định của dung dịch nano bạc tạo thành……...…….48
3.1.4 Hoạt tính kháng khuẩn của dung dịch nano bạc………………………....50
3.2 HOẠT TÍNH KHÁNG KHUẨN CỦA VẬT LIỆU PU TẨM NANO BẠC…...56
3.2.1 Các kết quả chế tạo vật liệu polyurethane tẩm nano bạc…………….…..56
3.2.2 Khảo sát tính kháng khuẩn E.coli trên tấm PU tẩm nano bạc………...…60
3.2.3 Khảo sát tính kháng coliforms và E.coli của cột lọc polyurethane tẩm nano
bạc trên nguồn nƣớc do công ty Thành Long cung cấp……………...……………….63
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ…………………………………………………….….67
TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………………………69


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
TEM

: hiển vi điện tử truyền qua

UV-VIS : phổ hồng ngoại và khả kiến
AAS

: phổ hấp thụ nguyên tử

PVP

: polyvinylpyrrolidone

FE – SEM : Hiển vi điện tử quét phát xạ trƣờng


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1

Số nguyên tử và năng lƣợng bề mặt của hạt nano hình cầu ...................... 10

Bảng 1.2

Độ dài đặc trƣng cho một số tính chất của vật liệu ................................... 12

Bảng 3.1

Khảo sát quá trình điều chế nano bạc ........................................................ 39

Bảng 3.2

Giá trị độ hấp thu A theo thời gian t của dung dịch nano bạc ứng với hàm
lƣợng AgNO3 0,046g ................................................................................. 40

Bảng 3.3

Giá trị độ hấp thu A theo thời gian t của dung dịch nano bạc ứng với hàm
lƣợng AgNO3 0,28g ................................................................................... 42

Bảng 3.4

Giá trị độ hấp thu A theo thời gian t của dung dịch nano bạc ứng với hàm
lƣợng AgNO3 nhƣ nhau và hàm lƣợng PVP khác nhau............................44

Bảng 3.5

Độ hấp thu và độ giảm của độ hấp thu của dung dịch nano bạc theo thời
gian………………………………………………………………………49

Bảng 3.6

Hoạt tính kháng khuẩn E.coli của các dung dịch nano bạc……………...50

Bảng 3.7

Hoạt tính kháng khuẩn Bacillus Subtilis của các dung dịch nano bạc......53

Bảng 3.8

Các dữ liệu phổ tán xạ Raman của mẫu polyurethane không tẩm bạc….59

Bảng 3.9

Hoạt tính kháng khuẩn E.coli trên các tấm PU/Ag (M1, M2, M3, M4)......61

Bảng 3.10 Mật độ Coliforms trong mẫu nƣớc đã đƣợc lọc.........................................64
Bảng 3.11 Mật độ E.coli trong mẫu nƣớc đã đƣợc lọc……………………………..66


DANH MỤC CÁC ĐỒ THỊ & SƠ ĐỒ
Sơ đồ 2.1

Quy trình điều chế dung dịch nano bạc ..................................................... 25

Đồ thị 3.1 Đồ thị độ hấp thu A theo t ứng với lƣợng AgNO3 0,046g ......................... 41
Đồ thị 3.2 Đồ thị độ hấp thu A theo t ứng với lƣợng AgNO3 0,28g ........................... 43
Đồ thị 3.3 Hiệu suất kháng E.coli của các dung dịch nano bạc. ................................. 51
Đồ thị 3.4 Hiệu suất kháng B. subtilis của các dung dịch nano bạc...........................53
Đồ thị 3.5 Hiệu suất kháng E.coli của màng PU tẩm nano bạc……………………..61


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1

Coliforms...................................................................................................... 3

Hình 1.2

Escherichia Coli .......................................................................................... 3

Hình 1.3

Thang kích thƣớc ......................................................................................... 9

Hình 1.4

Hai nguyên lí để chế tạo nano bạc ............................................................. 15

Hình 1.5

Tổng quát quá trình hình thành nano bạc ................................................. 17

Hình 1.6

Hình TEM và sự phân bố hạt nano chế tạo bằng sung laser...................... 18

Hình 1.7

Phổ UV-Vis của phƣơng pháp vi sóng và phƣơng pháp thông thƣờng ..... 19

Hình 1.8

Cơ chế diệt khuẩn của nano bạc ................................................................ 21

Hình 1.9

Các nhóm sản phẩm ứng dụng của nano bạc ............................................. 23

Hình 1.10 Thiết bị lọc nƣớc ........................................................................................ 23
Hình 2.1

Khuấy phân tán và hòa tan PVP trong Ethylen glicol ............................... 26

Hình 2.2

Khuấy phân tán AgNO3 trong PVP và Ethylen glicol ............................... 26

Hình 2.3

Thực hiện phản ứng trong lò vi sóng ......................................................... 27

Hình 3.1

Sự biến đổi của dung dịch trong quá trình điều chế nano bạc .................. 37

Hình 3.2

Phổ UV – Vis của dung dịch nano bạc ...................................................... 38

Hình 3.3

Phổ UV-Vis của dung dịch nano bạc ứng với hàm lƣợng AgNO3 0,046g 40

Hình 3.4

Phổ UV-Vis của dung dịch nano bạc ứng với hàm lƣợng AgNO3 0,28g.. 42

Hình 3.5

Phổ UV – Vis của dung dịch nano bạc có

Hình 3.6

Phổ UV–Vis dung dịch nano bạc với hàm lƣợng AgNO3 khác nhau ........ 45

Hình 3.7

Ảnh TEM và đồ thị phân bố kích thƣớc hạt nano Ag với hàm lƣợng
AgNO3 0,28g.............................................................................................. 46

Hình 3.8

Ảnh TEM và đồ thị phân bố kích thƣớc hạt hạt nano bạc với hàm lƣơng

AgNO3 0,046g............................................................................................ 47

Hình 3.9

Dung dịch nano bạc dùng cho thí nghiệm khảo sát tính bền ..................... 48

PVP
khác nhau ................... 44
AgNO3

Hình 3.10 Phổ UV-Vis khảo sát tính bền của dung dịch nano bạc ............................ 49


Hình 3.11 Hoạt tính kháng khuẩn E.coli của các dung dịch nano bạc trong thời gian
15 phút, 5 giờ và 24 giờ ............................................................................. 52
Hình 3.12 Hoạt tính kháng khuẩn Bacillus Subtilis của các dung dịch nano bạc trong
thời gian 15 phút, 5 giờ và 24 giờ .............................................................. 55
Hình 3.13 Các mẫu polyurethane tẩm nano bạc ở các dung dịch tẩm khác nhau ...... 56
Hình 3.14a Phổ Raman của mẫu PU trắng không tẩm nano bạc ( M0 ) ....................... 57
Hình 3.14b Phổ Raman của mẫu PU trắng tẩm dung dịch nano bạc ( M1) .................. 57
Hình 3.14c Phổ Raman của mẫu PU trắng tẩm dung dịch nano bạc ( M2 ) ................ 58
Hình 3.14d Phổ Raman của mẫu PU trắng tẩm dung dịch nano bạc ( M3 ) ................. 58
Hình 3.15 Ảnh FE – SEM của mẫu PU tẩm nano bạc ................................................ 60
Hình 3.16 Phổ FE – SEM/ EDS của mẫu polyurethane tẩm dung dịch nano bạc ...... 60
Hình 3.17 Khảo sát tính kháng E.coli của mẫu PU/Ag trong thời gian 15 phút ........ 62
Hình 3.18 Khảo sát tính kháng E.coli của mẫu PU/Ag trong thời gian 5 giờ ............ 62
Hình 3.19 Khảo sát tính kháng E.coli của mẫu PU/Ag trong thời gian 24 giờ .......... 63
Hình 3.20 Kết quả khảo sát khả năng kháng coliforms của cột lọc PU/Ag................ 65
Hình 3.21 Kết quả khảo sát tính kháng khuẩn E.coli của cột lọc PU/Ag ................... 66

LỜI MỞ ĐẦU
Nhiễm khuẩn môi trƣờng nƣớc là một vấn đề cấp bách không phải chỉ ở Việt
Nam mà trên toàn thế giới, đặc biệt tại các nƣớc kém phát triển. Tổ chức Y tế thế giới
(WHO) đã cảnh báo rằng 80% trƣờng hợp bệnh tật tại các nƣớc nghèo là do nguồn
nƣớc bị nhiễm khuẩn. Ngay tại thành phố Hồ Chí Minh và một số tỉnh thành lân cận
đã cảnh báo sự ô nhiễm của nguồn nƣớc uống.
Có rất nhiều phƣơng pháp xử lý nguồn nƣớc nhiễm khuẩn nhƣ sử dụng màng lọc
vi khuẩn, đun sôi nƣớc, sử dụng các nguồn hoá chất khác nhau (chlor, iod,…) hoặc các
nguồn UV, ozone,…Gần đây, công nghệ nano phát triển mạnh mẽ và thực sự đi vào
đời sống của con ngƣời, trong đó công nghệ nano bạc chiếm tầm quan trọng đáng kể.
Nano bạc có khả năng diệt khuẩn nhanh, hiệu quả cao và ứng dụng nhiều trong sản
phẩm gia dụng, y tế, vệ sinh môi trƣờng. Về công nghệ nano bạc xử lý nguồn nƣớc
uống nhiễm khuẩn trên thế giới đã có màng lọc vi khuẩn nano bạc, cột xử lý nƣớc
dùng than hoạt tính tẩm bạc và tấm polyurethan tẩm nano bạc. Tại Việt Nam, nano bạc
đã xuất hiện trong một số sản phẩm, đặc biệt là trong lĩnh vực mỹ phẩm. Tuy vậy có
rất ít các nghiên cứu về nano bạc với mục đích xử lý nguồn nƣớc uống nhiễm khuẩn.
Mục tiêu của luận văn này là điều chế dung dịch nano bạc và vật liệu
polyurethane mang nano bạc đồng thời khảo sát độ bền, khả năng kháng khuẩn của
dung dịch nano bạc cũng nhƣ của vật liệu polyurethane xốp tẩm các hạt bạc có kích
thƣớc nano trên nguồn nƣớc uống bị nhiễm khuẩn. Đây là một kỹ thuật xử lý mới, ít
tốn kém, dễ dàng thực hiện ở những vùng nông thôn hoặc những vùng sâu, vùng xa
nhằm đem lại nguồn nƣớc sạch, cải thiện đời sống ngƣời dân.


Chương 1:
TỔNG QUAN

1

Chương 1: Tổng quan

1.1. NGUỒN NƯỚC NHIỄM KHUẨN – TÁC NHÂN GÂY BỆNH
Nước là một trong những nguồn tài nguyên thiên nhiên cơ bản và quý giá nhất.
Các chuyên gia cho rằng trong thế kỷ 21 nước sẽ quý giá như dầu mỏ. Song nguồn tài
nguyên này càng ngày càng bị sử dụng quá mức, gây ô nhiễm nghiêm trọng và nước
đã trở thành nguồn sinh sản ra nhiều tác nhân gây bệnh. Theo tổ chức Y tế thế giới đã
khuyến cáo, 80% trường hợp bệnh tật ở các nước nghèo là do nguồn nước nhiễm
khuẩn và cũng theo qui định của tổ chức này, nước uống phải không có vi khuẩn
E.coli nào trong bất kỳ 100ml mẫu nước khảo sát. Nếu phát hiện có vi khuẩn này thì
dù một lượng rất nhỏ (vết) cũng phải lập tức xử lý ngay. Việc lan truyền các dịch bệnh
qua nước uống đã trở thành mối quan tâm hàng đầu của các quốc gia. Các bệnh truyền
nhiễm của con người như thương hàn, kiết lỵ, dịch tả, viêm gan và tiêu chảy là do các
vi sinh vật có quan hệ với nước uống ô nhiễm gây nên [32].
1.1.1 Các vi sinh vật gây bệnh trong nước
Trong số các đối tượng vi sinh vật gây bệnh sống trong nước phải kể đến một
số đại diện gây bệnh nguy hiểm [8]:
*Salmonella typhi gây bệnh thương hàn với các triệu chứng xuất huyết tiêu hóa,
nhiễm khuẩn huyết, sốt kéo dài, li bì, gây ra biến chứng trụy tim mạch...
*Vibrio Cholera gây bệnh tả biểu hiện chủ yếu bằng nôn và tiêu chảy với số
lượng lớn dẫn đến mất nước và chất điện giải trầm trọng, gây sốc nặng có thể dẫn đến
tử vong.
*Shigella gây bệnh lỵ trực khuẩn ở người, đây là một bệnh truyền nhiễm có thể
gây thành các vụ dịch địa phương. Thương tổn đặc hiệu ở ruột già, biểu hiện bằng hội
chứng lỵ với các triệu chứng: đau bụng quặn, đi ngoài nhiều lần, phân thường có máu.
*Clostridium perfringens gây nhiễm độc thần kinh, viêm ruột hoại tử, ngộ độc
thực phẩm với các triệu chứng đau bụng, tiêu chảy.
*Klebsiella pneumoniae gây các bệnh cơ hội như viêm phổi, viêm phế quản
phổi thứ phát sau cúm, sau sởi, sau ho gà, nhiễm trùng máu (thường gặp ở những bệnh

nhân bị suy kiệt như xơ gan, ung thư máu, suy tủy...). Ngoài ra còn có thể gây nhiễm
trùng đường tiết niệu, đường mật hoặc đường sinh dục, viêm màng não, viêm tai, viêm
xoang và viêm nội tâm mạc.
*Pseudomonas aeruginosa gây viêm màng trong tim, viêm đường hô hấp, viêm
phổi; nhiễm trùng máu, da, đường tiết niệu; viêm màng não mủ; viêm tủy xương.
*E. coli gây tiêu chảy, nhiễm khuẩn đường tiết niệu, đường sinh dục, nhiễm
khuẩn gan mật, nhiễm khuẩn huyết.
1.1.2. Các vi sinh vật chỉ thị mức độ vệ sinh của nước
Trong thực tế không thể xác định tất cả các vi sinh vật gây bệnh qua đường
nước vì phức tạp và tốn khá nhiều thời gian. Mục tiêu của việc kiểm tra vệ sinh nước
2


Chương 1: Tổng quan

là xác định mức độ an toàn của nước đối với sức khỏe con người. Do vậy có thể dùng
vài vi sinh vật chỉ thị ô nhiễm phân để đánh giá mức độ ô nhiễm từ rác, phân người và
động vật. Có 3 nhóm vi sinh vật chỉ thị ô nhiễm phân là Coliforms, Streptococci,
Clostridia chúng thường hiện diện trong phân người và động vật. Trong số các vi sinh
vật trên, E. coli là loại trực khuẩn đường ruột có thời gian sống trong nước gần giống
với những vi sinh vật gây bệnh khác và nó là loài được quan tâm nhiều nhất về vệ sinh
an toàn thực phẩm. Sự có mặt của E. coli ở số lượng lớn chứng tỏ nguồn nước đã bị
nhiễm bẩn phân rác và có khả năng tồn tại các loại vi khuẩn gây bệnh khác. Sau đây là
một số đặc điểm liên quan đến các vi sinh vật thường được kiểm soát trong nước.
1.1.2.1.Coliforms
Coliforms từ lâu đã được biết như là nhóm vi sinh vật
dùng để chỉ thị chất lượng nước uống, vì người ta đã
tìm thấy chúng trong nước bị nhiễm bẩn mà đặc biệt
là phân người và động vật. Nhóm Coliform gồm
những vi sinh vật hiếu khí và kỵ khí tùy ý, gram âm,

hình que, không sinh bào tử, lên men đường lactose
và sinh hơi trong môi trường nuôi cấy lỏng, phát triển
ở 30-370C, chúng thường được tìm thấy trong phân và
môi trường bẩn (nước bẩn, đất, các chất thối rửa của
động thực vật...) [9].
Dựa vào nhiệt độ tăng trưởng, nhóm này lại
được chia thành hai nhóm nhỏ là Coliforms và Coliforms phân có nguồn gốc từ phân
của các loài động vật. Trên thực tế kiểm nghiệm, Coliforms phân được quan tâm nhiều
hơn Coliforms. Coliforms phân có nguồn gốc từ ruột người và các động vật máu nóng
bao gồm các giống Escherichia, Klebsiella và Enterobacter. Chúng có khả năng lên
men lactose sinh hơi, sống được ở nhiệt độ 44oC, có khả năng thủy phân tryptophan
trong môi trường sinh indol và không sử dụng citrate làm nguồn carbon duy nhất.
Khi Coliforms phân hiện diện ở số lượng lớn trong mẫu nước thì mẫu có khả
năng bị nhiễm phân và có khả năng chứa các vi sinh vật gây bệnh hiện diện trong
phân. Trong các thành viên của nhóm Coliforms phân thì E. coli là loài được quan tâm
nhiều nhất về vệ sinh an toàn thực phẩm [13].
1.1.2.2. E. coli
E. coli là vi sinh vật hiếu khí tùy ý, gram âm, thuộc
nhóm Coliforms, thường xuyên hiện diện trong
đường ruột của người và các loài động vật máu nóng.
Các loài E. coli hiện diện rộng rãi trong môi trường bị
ô nhiễm phân hay chất thải hữu cơ. Chúng phát triển
và tồn tại rất lâu trong môi trường này. Gần đây
người ta còn chứng minh được rằng E. coli cũng hiện
Hình 1.1: Coliforms

Hình 1.2: Escherichia Coli

3

Chương 1: Tổng quan

diện ở những vùng nước ấm, không bị ô nhiễm chất hữu cơ. Do sự phân bố rộng rãi
trong tự nhiên nên E. coli dễ dàng nhiễm vào thực phẩm từ nguyên liệu hay thông qua
nguồn nước trong quá trình sản xuất, chế biến [9].
E. coli có thể phát triển dễ dàng trên các môi trường nuôi cấy thông thường và
một số môi trường tổng hợp đơn giản. Nhiệt độ thích hợp cho sự phát triển của E.coli
là 370C, pH thích hợp là 7 đến 7,2. E. coli lên men nhiều loại đường sinh acid và sinh
hơi như: glucose, lactose, ramnose; cho phản ứng indol dương tính, đỏ methyl dương
tính, VP âm tính, citrate âm tính, urease âm tính, H2S âm tính.
Hầu hết các loài E. coli không gây hại và đóng vai trò quan trọng trong việc ổn
định sinh lý đường ruột. Tuy nhiên có 4 dòng có thể gây bệnh cho người và một số
loài động vật là Enterophathogenic E. coli (EPEC), Enterotoxigenic E. coli (ETEC),
Enteroinvasive E. coli (EIEC) và Enterohaemorrhagic E. coli (EHEC)/Verocytoxin E.
coli (VREC) hay E. coli O157:H7. Các dòng E. coli gây bệnh gây ra các triệu chứng
rối loạn đường tiêu hóa. Biểu hiện lâm sàng thay đổi từ nhẹ đến rất nặng, có thể gây
chết người tùy thuộc vào mức độ nhiễm, dòng gây nhiễm và khả năng đáp ứng của
từng người [48].
Enterotoxigenic E. coli (ETEC) là loại E. coli sinh độc tố ruột. ETEC là một
nguyên nhân quan trọng gây tiêu chảy nặng ở người. Bệnh tiêu chảy do ETEC xảy ra
chủ yếu ở các xứ nhiệt đới và có thể gặp ở các lứa tuổi khác nhau, nhưng đặc biệt
thường thấy ở trẻ nhỏ, bệnh nặng dễ dẫn tới tình trạng kiệt nước và rối loạn điện giải.
Enteropathogenic E. coli (EPEC): EPEC hiện nay được biết gồm một số type
huyết thanh thường gây bệnh tiêu chảy cấp (bệnh viêm dạ dày - ruột) ở trẻ em lứa tuổi
nhỏ (trẻ dưới một tuổi), có thể gây thành dịch. Các vụ dịch do EPEC thường hay gặp
trong bệnh viện.
Enteroinvasive E. coli (EIEC): là loại E. coli gây bệnh bằng cơ chế xâm nhập tế
bào biểu mô niêm mạc ruột, gây tiêu chảy ở người lớn và trẻ em với những triệu chứng
bệnh lý là đau bụng quặn, mót rặn, đi tiêu nhiều lần, phân có nhiều mũi nhầy và máu.

Enterohemorrhagic E. coli (EHEC): EHEC là một trong những tác nhân gây tiêu
chảy có thể dẫn tới viêm đại tràng xuất huyết và hội chứng tan máu - ure huyết. EHEC
là những chủng E. coli có khả năng sản xuất một độc tố gây độc tế bào Vero
(Verocytotoxin), gọi là VT .
Ngoài ra, E. coli còn có thể gây ra nhiễm khuẩn đường tiết niệu, đường sinh dục,
nhiễm khuẩn gan mật, viêm màng não ở trẻ còn bú, nhiễm khuẩn huyết [48].
1.1.3. Các chỉ tiêu vi sinh vật trong nước
Nước được dùng cho sản xuất, sinh hoạt và chế biến thực phẩm. Tùy theo mục
đích sử dụng của nước mà các chỉ tiêu vi sinh vật được kiểm tra sẽ thay đổi. Đối với
nước tự nhiên, nước sản xuất nông ngư nghiệp và nước sinh hoạt cần phải đảm bảo
không bị nhiễm phân, không mang mầm bệnh bằng cách kiểm nghiệm vi sinh vật chỉ
thị ô nhiễm phân ví dụ như Coliforms, Coliforms phân.
4


Chương 1: Tổng quan

Đối với nước uống và các loại nước giải khát ngoài các chỉ tiêu về vi sinh vật chỉ
thị một số vi sinh vật gây bệnh khác cũng phải được kiểm tra tùy thuộc vào nguy cơ
nhiễm [9].
Sau đây là tiêu chuẩn về nước với các mục đích sử dụng khác nhau
1.1.3.1.Nước dùng cho mục đích sản xuất, sinh hoạt
Các loại nước dùng cho mục đích này được gọi chung là nước mặt, tiêu chuẩn
quốc gia Việt Nam quy định hai mức như sau:
*Loại A dùng làm nguồn cung cấp nước sinh hoạt nhưng phải qua quá trình xử
lý, giới hạn tối đa số Coliforms cho phép là 5000 MPN/100ml
*Loại B dùng cho các mục đích khác, giới hạn tối đa số Coliforms cho phép là
10000 MPN/100ml.
1.1.3.2.Nước uống
Đáp ứng yêu cầu về chất lượng nước ăn uống là một vấn đề khó khăn và phức

tạp. Nước dùng cho mục đích này không được chứa bất kỳ loại vi khuẩn gây bệnh nào.
Tuy nhiên, có nhiều chủng loại vi sinh vật gây bệnh sống trong nước và phương pháp
xác định chúng rất phức tạp. Nguồn gây nhiễm vi sinh vật vào nước chủ yếu là do
nước bị ô nhiễm phân người và động vật. Do vậy để đánh giá chất lượng vệ sinh của
nước uống về mặt vi sinh vật, người ta thường khảo sát các vi sinh vật chỉ điểm cho sự
nhiễm phân. Vi khuẩn sử dụng làm chỉ điểm cho sự nhiễm phân của nước phải có
những đặc thù sau [48]:
- Thường xuyên có mặt với một số lượng lớn trong phân người và động vật máu
nóng
- Dễ dàng được xác định bằng những phương pháp đơn giản
- Không có mặt trong nước tự nhiên
- Tốc độ phát triển và tiêu diệt trong nước của những vi khuẩn này tương tự
như những vi khuẩn gây bệnh.
Căn cứ vào các tiêu chí trên, người ta thường dùng những loại vi khuẩn sau đây
để làm chỉ điểm cho sự nhiễm phân của nước:
+ Coliforms tổng số
+ Coliforms phân
+ E. coli
+ Clostridium Perfringens
Nước uống bao gồm nước đóng chai, nước giải khát (không cồn, có cồn). Tiêu
chuẩn Nhà Nước (TCVN 6096-1995 ,TCVN 5042-1994) quy định về vi sinh vật trong
các dạng nước này là như sau:

5


Chương 1: Tổng quan

a.Nước uống đóng chai
Mức tối đa cho phép

Chỉ tiêu
1. Coliforms (MPN/100ml)

0

2. Coliforms phân (MPN/100ml)

0

3. E. coli (CFU/100ml)

0

4. Clostridium khử sunfit (CFU/100ml)

0

5. Streptococci phân (CFU/100ml)

0

MPN : Most Probable Number (số có xác suất cao nhất)
CFU : Colony Forming Unit (đơn vị hình thành khuẩn lạc)
b.Nước giải khát không cồn
Mức tối đa cho phép
Không đóng chai

Đóng chai

5*104

102

2. E. coli (CFU/1000ml)

3

0

3. C. perfringens

0

0

4. Leuconostoc

0

0

103

0

0

0

Chỉ tiêu
1. TSVKHK (CFU/100ml)

5. Nấm men - nấm mốc (CFU/ml)
6. S. aureus
TSVKHK: Tổng số vi khuẩn hiếu khí
c.Nước giải khát có cồn
Chỉ tiêu

Mức tối đa cho phép
Không đóng chai

Đóng chai

103

102

2. E. coli (CFU/1000ml)

0

0

3. C. perfringens

0

0

0

0

102

0

0

0

1. TSVKHK (CFU/100ml)

4. Vi khuẩn gây đục (quan sát bằng
mắt)
5. Nấm men - nấm mốc (CFU/ml)
6. S. aureus /vi khuẩn gây bệnh đường
ruột

6


Chương 1: Tổng quan

1.2. CÁC BIỆN PHÁP XỬ LÍ NGUỒN NƯỚC
Một số biện pháp xử lý nguồn nước uống đã được sử dụng như:
1.2.1. Khử trùng bằng đun sôi
Là biện pháp cực kỳ hữu hiệu để khử trùng nước. Nước chỉ cần đun sôi thật
mạnh trong 10 phút là có thể diệt hoàn toàn các vi khuẩn. Trong quá trình đun sôi các

cặn và kim loại lắng xuống đáy ấm và dễ dàng súc rửa bằng giấm hoặc các axit nhẹ.
Tuy nhiên, rất bất lợi khi xử lý lượng lớn do cần năng lượng lớn, tốn thời gian để đun
nước và làm nguội cũng như các thiết bị chứa phải thật sạch.
1.2.2. Khử trùng bằng chlor dang bột hoặc nước Javel
Chlor đã được dùng để xử lý nước cấp ở Mỹ từ năm 1908. Hiệu quả của việc
khử trùng bằng chlor phụ thuộc vào lượng nước cần xử lý, nồng độ chlor trong dung
dịch chlor, thời gian tiếp xúc giữa các vi khuẩn và dung dịch chlor, chất lượng nước.
Để đảm bảo nước được khử trùng hoàn toàn, người ta thường cho lượng chlor nhiều
hơn theo tính toán lý thuyết. Điều này sẽ dẫn đến việc tạo nên một lượng chlor thừa
trong hệ thống xử lý và lượng chlor dư này được xác định bằng phương pháp đơn giản
là cho hóa chất thích hợp vào và phát hiện sự đổi màu của nước.
1.2.3. Khử trùng bằng tia UV
Tia UV có khả năng tiêu diệt vi khuẩn, virus và vài loại ký sinh trùng. Phương
pháp này đã được sử dụng hơn 75 năm nay để khử trùng nguồn nước cấp. Tuy nhiên,
cho tới nay người ta chưa thiết kế những hệ thống để sử dụng cho gia đình. Hiện nay,
bang Ohio (Hoa Kỳ) vẫn chưa cho phép sử dụng phương pháp này để xử lý nước cấp
do những hậu quả tác hại của tia UV cho người xử lý. Theo biện pháp này, nước được
cho qua một bể chứa có lắp đặt một đèn thạch anh - thủy ngân phát ra tia UV. Bức xạ
UV tiêu diệt hoặc vô hiệu hóa các vi sinh vật gần như lập tức. UV là một biện pháp rất
hữu hiệu để khử trùng. Tuy nhiên, việc khử trùng chỉ xảy ra trong bể chứa. Do đó, khả
năng nước bị nhiễm khuẩn lại sau khi ra khỏi bể chứa có thể xảy ra. Muốn tiêu diệt
được vi khuẩn, tia UV phải tiếp xúc với vi khuẩn đó, do đó nguồn sáng phải luôn luôn
giữ "sạch". Các dung dịch sodium hydrosulfite (0,15%) và acid citric (0,15%) là dung
dịch hữu hiệu để tẩy rửa các chất bám trên nguồn sáng (với thời gian tẩy rửa qua đêm).
Các vi khuẩn chết có thể là vật chắn tia UV cho các vi khuẩn còn sống, do đó khả năng
khử trùng bằng tia UV cũng có giới hạn. Giới hạn tối đa cho việc xử lý bằng tia UV là
1000 coliforms tổng số/100mL và 100 faecal coliforms/100 mL. Để khử trùng bằng tia
UV có hiệu quả, đôi khi chúng ta cần phải sử dụng hệ thống tiền xử lý để khử màu, độ
đục và các hạt hữu cơ. Liều lượng UV cần thiết để ngăn chặn sự sinh sản của đa số vi
khuẩn trong khoảng 2500-22000 µW/cm2, các virus thông thường như virus bệnh cúm

cũng bị bất hoạt ở liều tương tự. Liều lượng cho việc khử trùng được đề nghị là 1600025000 µW/cm2 [11].
7


Chương 1: Tổng quan

1.2.4.Xử lý bằng dung dịch iod
Iod được dùng để diệt khuẩn vào những năm 1900. Biện pháp xử lý là bơm
dung dịch bão hoà Iod vào hệ thống cấp nước. Iod không diệt khuẩn ngay lập tức mà
cần thời gian tiếp xúc khoảng 20 phút (tùy thuộc vào nồng độ). Một lượng thừa Iod từ
0,5 - 10 mg/L phải được duy trì để bảo đảm hiệu quả xử lý, ở nồng độ này Iod không
gây mùi và vị cho nước. Iod duy trì được khả năng diệt khuẩn trong khoảng pH rộng
(mất tác dụng ở pH = 10).
Các viên Iod được sử dụng để khử trùng nước sử dụng cho lực lượng quân đội
trong thời kỳ chiến tranh thế giới lần II. Tuy nhiên cho đến nay, các tác dụng của Iod
đến sức khoẻ của con người vẫn chưa xác định được, nên các nhà chuyên môn cũng
khuyến cáo là không nên sử dụng nước qua xử lý Iod trong thời gian lâu dài.
1.2.5.Các biện pháp khác
Trong vài thập niên gần đây, một số hợp chất zeolit từ tự nhiên hay từ các
phương pháp tổng hợp, các màng phim polymer, hoặc một số các ion kim loại như Ag,
Cu, Zn, Ni, Co, Ti, đã được sử dụng như là một chất sát trùng cho nguồn nước uống
[15].

1.3.

VẬT LIỆU NANO

1.3.1. Khoa học, công nghệ và vật liệu nano
Theo Viện hàn lâm hoàng gia Anh quốc :
Khoa học nano là ngành khoa học nghiên cứu về các hiện tượng và sự can thiệp

(manipulation) vào vật liệu tại các quy mô nguyên tử, phân tử và đại phân tử. Tại các
quy mô đó, tính chất của vật liệu khác hẳn với tính chất của chúng tại các quy mô lớn
hơn [2].
Công nghệ nano là việc thiết kế, phân tích đặc trưng, chế tạo và ứng dụng các
cấu trúc, thiết bị, và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng và kích thước trên quy
mô nano mét.
Vật liệu nano là đối tượng của hai lĩnh vực là khoa học nano và công nghệ nano, nó
liên kết hai lĩnh vực trên với nhau. Kích thước của vật liệu nano từ 0,1 nm
đến100nm[50].

8


Chương 1: Tổng quan

Hình 1.3: Thang kích thước

1.3.2. Tính chất vật liệu nano
Khoa học và công nghệ nano là một trong những thuật ngữ được sử dụng rộng
rãi nhất trong khoa học vật liệu ngày nay là do đối tượng của chúng là vật liệu nano có
những tính chất kì lạ khác hẳn với các tính chất của vật liệu khối mà người ta nghiên
cứu trước đó [2]. Sự khác biệt về tính chất của vật liệu nano so với vật liệu khối bắt
nguồn từ hai hiện tượng sau đây :
 Hiệu ứng bề mặt :
Khi vật liệu có kích thước nhỏ thì tỉ số giữa số nguyên tử trên bề mặt và tổng số
nguyên tử của vật liệu gia tăng. Ví dụ, xét vật liệu tạo thành từ các hạt nano hình cầu.
Nếu gọi ns là số nguyên tử nằm trên bề mặt, n là tổng số nguyên tử thì mối liên hệ giữa
hai con số trên sẽ là ns = 4n2/3. Tỉ số giữa số nguyên tử trên bề mặt và tổng số nguyên

9

Chương 1: Tổng quan

tử sẽ là f = ns/n = 4/n1/3 = 4r0/r, trong đó r0 là bán kính của nguyên tử và r là bán kính
của hạt nano. Như vậy, nếu kích thước của vật liệu giảm (r giảm) thì tỉ số f tăng lên.
Do nguyên tử trên bề mặt có nhiều tính chất khác biệt so với tính chất của các
nguyên tử ở bên trong lòng vật liệu nên khi kích thước vật liệu giảm đi thì hiệu ứng có
liên quan đến các nguyên tử bề mặt, hay còn gọi là hiệu ứng bề mặt tăng lên do tỉ số f
tăng.
Khi kích thước của vật liệu giảm đến nm thì giá trị f này tăng lên đáng kể. Sự
thay đổi về tính chất có liên quan đến hiệu ứng bề mặt không có tính đột biến theo sự
thay đổi về kích thước vì f tỉ lệ nghịch với r theo một hàm liên tục. Chúng ta cần lưu ý
đặc điểm này trong nghiên cứu và ứng dụng.
Khác với hiệu ứng thứ hai mà ta sẽ đề cập đến sau, hiệu ứng bề mặt luôn có tác
dụng với tất cả các giá trị của kích thước, hạt càng bé thì hiệu ứng càng lớn và ngược
lại. Ở đây không có giới hạn nào cả, ngay cả vật liệu khối truyền thống cũng có hiệu
ứng bề mặt, chỉ có điều hiệu ứng này nhỏ thường bị bỏ qua. Vì vậy, việc ứng dụng
hiệu ứng bề mặt của vật liệu nano tương đối dễ dàng.
Bảng 1.1 cho biết một số giá trị điển hình của hạt nano hình cầu. Với một hạt
nano có đường kính 5 nm thì số nguyên tử mà hạt đó chứa là 4.000 nguyên tử, tỉ số f là
40 %, năng lượng bề mặt là 8,16×1011 và tỉ số năng lượng bề mặt trên năng lượng toàn
phần là 82,2 %. Tuy nhiên, các giá trị vật lý giảm đi một nửa khi kích thước của hạt
nano tăng gấp hai lần lên 10 nm.

Đường kính hạt
nano (nm)
10

Số nguyên

tử
30.000

Tỉ số nguyên tử
trên bề mặt (%)
20

Năng lượng bề
mặt (erg/mol)
4.8×1011

Năng lượng bề mặt /
Năng lượng tổng (%)
7,6

5

4.000

40

8,6×1011

14,3

5

4.000

40

8,6×10

11

14,3

1

30

90

9,23×1012

82,2

Bảng 1.1: Số nguyên tử và năng lượng bề mặt của hạt nano hình cầu.

10


Chương 1: Tổng quan

 Hiệu ứng kích thước :
Khác với hiệu ứng bề mặt, hiệu ứng kích thước của vật liệu nano đã làm cho vật
liệu này trở nên kì lạ hơn nhiều so với các vật liệu truyền thống. Đối với một vật liệu,
mỗi một tính chất của vật liệu này đều có một độ dài đặc trưng. Độ dài đặc trưng của
rất nhiều các tính chất của vật liệu đều rơi vào kích thước nm. Chính điều này đã làm
nên cái tên "vật liệu nano" mà ta thường nghe đến ngày nay.

Ở vật liệu khối, kích thước vật liệu lớn hơn nhiều lần độ dài đặc trưng này dẫn
đến các tính chất vật lí đã biết. Nhưng khi kích thước của vật liệu có thể so sánh được
với độ dài đặc trưng đó thì tính chất có liên quan đến độ dài đặc trưng bị thay đổi đột
ngột, khác hẳn so với tính chất đã biết trước đó. Ở đây không có sự chuyển tiếp một
cách liên tục về tính chất khi đi từ vật liệu khối đến vật liệu nano. Chính vì vậy, khi
nói đến vật liệu nano, chúng ta phải nhắc đến tính chất đi kèm của vật liệu đó.
Cùng một vật liệu, cùng một kích thước, khi xem xét tính chất này thì thấy khác
lạ so với vật liệu khối nhưng cũng có thể xem xét tính chất khác thì lại không có gì
khác biệt cả. Tuy nhiên, chúng ta cũng may mắn là hiệu ứng bề mặt luôn luôn thể hiện
dù ở bất cứ kích thước nào.
Ví dụ, đối với kim loại, quãng đường tự do trung bình của điện tử có giá trị vài
chục nm. Khi chúng ta cho dòng điện chạy qua một dây dẫn kim loại, nếu kích thước
của dây rất lớn so với quãng đường tự do trung bình của điện tử trong kim loại này thì
chúng ta sẽ có định luật Ohm cho dây dẫn. Định luật cho thấy sự tỉ lệ tuyến tính của
dòng và thế đặt ở hai đầu sợi dây.
Bây giờ chúng ta thu nhỏ kích thước của sợi dây cho đến khi nhỏ hơn độ dài
quãng đường tự do trung bình của điện tử trong kim loại thì sự tỉ lệ liên tục giữa dòng
và thế không còn nữa mà tỉ lệ gián đoạn với một lượng tử độ dẫn là e2/ħ, trong đó e là
điện tích của điện tử, ħ là hằng đó Planck. Lúc này hiệu ứng lượng tử xuất hiện. Có rất
nhiều tính chất bị thay đổi giống như độ dẫn, tức là bị lượng tử hóa do kích thước giảm
đi. Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng chuyển tiếp cổ điển-lượng tử trong các vật
liệu nano do việc giam hãm các vật thể trong một không gian hẹp mang lại (giam hãm
lượng tử).

11


Chương 1: Tổng quan

Bảng 1.2 cho thấy giá trị độ dài đặc trưng của một số tính chất vật liệu.

Độ dài đặc trưng (nm)

Tính chất

Thông số

Điện

- Bước sóng của điện tử

10 – 100

- Quãng đường tự do trung bình không đàn hồi

1 – 100

- Hiệu ứng đường ngầm

1 – 10

Từ

Quang

Cơ

- Vách domain, tương tác trao đổi

10 – 100

- Quãng đường tán xạ spin

1 – 100

- Giới hạn siêu thuận từ

5 – 100

- Hố lượng tử (bán kính Bohr)

1 – 100

- Độ dài suy giảm

10 – 100

- Độ sâu bề mặt kim loại

10 – 100

- Hấp thụ plasmon bề mặt

10 – 500

- Tương tác bất định xứ

1 – 1000

- Biên hạt

1 – 10

- Bán kính khởi động đứt vỡ

1 – 100

- Sai hỏng mầm

0,1 – 10

- Độ nhăn bề mặt

1 – 10

Xúc tác

- Hình học topo bề mặt

1 – 10

Siêu phân tử

- Độ dài Kuhn

1 – 100

- Cấu trúc nhị cấp

1 – 10

- Cấu trúc tam cấp

10 – 1000

- Nhận biết phân tử

1 – 10

Miễn dịch

Bảng 1.2: Độ dài đặc trưng của một số tính chất của vật liệu

12