Tải bản đầy đủ (.pdf) (5 trang)

Nghiên cứu chế tạo vật liệu nanocomposit Ag silica sử dụng để loại bỏ vi khuẩn trong nước ô nhiễm

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (207.85 KB, 5 trang )

K t qu nghiên c u KHCN

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO

VẬT LIỆU NANOCOMPOSIT Ag/SILICA
SỬ DỤNG ĐỂ LOẠI BỎ VI KHUẨN
TRONG NƯỚC Ơ NHIỄM
ThS. Đào Tr ng Hi n, PGS.TS. Nguy n Hồi Châu và ThS. Hồng Th Mai
Vi n Cơng ngh mơi tr ng, Vi n Hàn lâm Khoa h c và Cơng ngh Vi t Nam
1. MỞ ĐẦU
rong những năm gần
đây, việc lựa chọn các
hóa chất, vật liệu khử
trùng nước thân thiện với mơi
trường và đặc biệt là khơng ảnh
hưởng đến sức khỏe con người
được rất nhiều các nhà khoa
học trên thế giới quan tâm
nghiên cứu. Các nhà khoa học
đã nhận ra rằng ngun tố bạc
là chất sát trùng tự nhiên mạnh
nhất và ít độc nhất có mặt trên
trái đất. Với kích thước nano,
bạc thể hiện nhiều tính năng
khử trùng ưu việt hơn so với
các tác nhân khử trùng khác, do
đó ngày càng được quan tâm
nghiên cứu ứng dụng. Tuy
nhiên, cơng nghệ chế tạo nano
bạc cấy lên vật liệu nhằm mục
đích khử trùng nước vẫn chưa


mang lại hiệu quả cao [1-6].

T

Sau nhiều năm nghiên cứu,
tập thể các nhà khoa học thuộc
Viện Cơng nghệ mơi trường,
Viện Hàn lâm Khoa học và
Cơng nghệ Việt Nam đã chế tạo
thành cơng bình lọc nước IET
cho vùng lũ lụt. Bộ dụng cụ lọc
nước này sử dụng tổ hợp vật

liệu lọc, trong đó có nanocomposit từ silica được cấy các hạt nano
bạc có khả năng diệt các vi sinh vật gây bệnh [7-8].
Trong nghiên cứu này, vật liệu nanocomposit Ag/Silica được
chế tạo và sử dụng để loại bỏ vi khuẩn ơ nhiễm trong nước. Trước
tiên, các hạt silica có kích thước từ 0,5 – 1,0mm được chức năng
hóa nhóm amin bằng 3-aminopropyl triethoxy silane (APTES). Tiếp
theo, vật liệu amin-Silica được ủ với ion bạc, các ion bạc gắn trên
nhóm amin được khử bằng NaBH4 để thu được vật liệu nanocomposte Ag/Silica. Nhóm chức năng hóa amin trên silica được xác
định bằng phương pháp phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR).
Sự hiện diện của nano bạc được thể hiện trên phổ cộng hưởng
plasmon (UV-VIS). Khả năng khử trùng của vật liệu nanocomposit
Ag/Silica được đánh giá bằng cách sử dụng cột lọc chứa vật liệu
này và cho dòng nước chứa vi khuẩn E.coli and Coliforms
(104cfu/ml) chảy qua với tốc độ 1-4 lít/giờ. Khả năng giải phóng
nano bạc vào nước được thử nghiệm trong 16 giờ. Các kết quả
nghiên cứu cho thấy vật liệu nano composit Ag/Silica có thể áp
dụng rộng rãi để khử trùng nguồn nước bị nhiễm khuẩn gây bệnh.

2. THỰC NGHIỆM
2.1. Chế tạo vật liệu nanocomposite Ag/Silica
Trước tiên, các hạt silica được chức năng hóa bề mặt bằng 3Aminopropyltriethoxysilane (APTES) để gắn các nhóm amin (-NH2)
lên bề mặt vật liệu silica rỗng. Quy trình thực nghiệm được tiến
hành như sau: cân 100g silica rỗng vào cốc thủy tinh dung tích
500ml, sau đó thêm từ từ 150ml dung dịch APTES 1%. Hỗn hợp
được lắc đều trong máy Grant GLS 400 trong 2 giờ. Tiếp theo, hỗn
hợp được ủ ở 500C trong 1 giờ. Sau đó, vật liệu được để nguội về
nhiệt độ phòng và rửa bằng nước cất 2-3 lần để loại bỏ APTES dư.
Vật liệu sau đó được sấy khơ trong tủ Melbert (Đức) ở 800C trong
20 giờ, cuối cùng thu được vật liệu silica chức năng hóa (AFSBs)[9].

Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 4,5&6-2016

29


K t qu nghiên c u KHCN

Các bước gắn nano bạc lên
silica được thực hiện như sau:
cân 100g vật liệu AFSBs vào
cốc thủy tinh dung tích đựng
500ml, thêm từ từ 200ml dung
dịch AgNO3 0,2%. Hỗn hợp
được khuấy đều trong bóng tối
bằng máy khuấy IKA RW 20
digital trong 4 giờ. Tiếp theo, vật
liệu Ag+/AFSBs được rửa nhẹ
bằng nước cất 1 – 2 lần để loại

bỏ các ion Ag+ tự do trong
nước. Để khử các ion bạc gắn
trên silica, Ag+/AFSBs được
phân tán trong 500ml nước cất

và khuấy với tốc độ 5000-7000
v/phút, nhỏ từ từ (3 giọt/giây)
dung dịch NaBH4 1,0M vào hỗn
hợp cho tới khi màu các hạt vật
liệu chuyển sang màu vàng
đậm, thể hiện sự tạo thành các
hạt nano bạc thì dừng nhỏ
NaBH4 và khuấy thêm 15 phút
nữa. Sau khi phản ứng hồn
thành, mẫu được lọc và rửa
sạch với nước cất. Cuối cùng,
vật liệu Ag/silica rỗng được sấy
khơ tại 500C trong 15 – 20 giờ.
Tồn bộ quy trình chế tạo vật
liệu Ag/Silica rỗng được tóm tắt

trong sơ đồ hình 1 [9].
2.2. Đặc trưng của vật liệu
nanocomposit Ag/Silica
Phổ hồng ngoại IR dùng để
xác định sự có mặt của nhóm
amin (-NH2 ) trong vật liệu. Mẫu
vật liệu Silica –Ag được ghi
trên máy phổ hồng ngoại
Fourier Nexus của Mỹ, trong

dải sóng từ 4000 – 400cm-1, độ
phân giải 4 cm-1 tại viện Hóa
học – Viện Hàn Lâm Khoa học
và Cơng nghệ Việt Nam. Phổ
UV – VIS của mẫu vật liệu Ag-

APTES

Silica rỗng 0,5 - 1mm

Lắc 2 giờ và ủ 500c trong 1giờ
Rửa 2-3 lần bằng nước cất
Sấy 800C từ 15-20 giờ
AFSBs
AgNO3
Lắc 4 giờ và loại bỏ
Ag+ tự do

Rửa, sấy 500C

3 giây/giọt
NaBH3 1,0M

Ag/Silica

Hình 1. S đ quy trình ch t o v t li u nano composite Ag/Silica

30

Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 4,5&6-2016



K t qu nghiên c u KHCN

Silica điều chế được đo trên
máy Shimazu UV - 2450 tại
Phòng vật lý điện tử, trường
Đại học Sư phạm Hà Nội.
Phương pháp kính hiển truyền
qua (TEM) được sử dụng để
xác định chính xác kích thước
và hình thái của vật liệu. Các
mẫu Ag – silica được đo trên
máy JEM1010 (JEOL – Nhật
Bản) có hệ số phóng đại M =
x50-x600.000, độ phân giải δ =
3A0, điện áp gia tốc U = 40100kV, tại Viện vệ sinh dịch tễ
Trung ương.

khi đi qua cột lọc thể hiện hiệu suất diệt khuẩn của vật liệu
Ag/Silica. Bộ lọc nước thí nghiệm đánh giá khả năng diệt khuẩn
của vật liệu nanocomposit Ag/Silica được thể hiện trên Hình 2.
Hình 2 mơ tả bộ lọc nước nano bạc, bình lọc nước gồm hai
ngăn: ngăn trên chứa nước chưa lọc và cột lọc số 1, ngăn dưới
chứa nước sau lọc và cột lọc số 2. Trước tiên, nước từ ngăn trên
qua cột lọc số 1, cột lọc số 1 có tác dụng loại bỏ huyền phù trong
nước, nhưng phần lớn vi khuẩn và virus khơng bị giữ ở cột lọc
này. Tiếp theo, nước chảy qua cột lọc thứ 2, cột lọc thứ 2 được
chứa 50g vật liệu Ag/Silica. Cuối cùng, nước từ cột lọc số 2 chảy
vào ngăn dưới chứa nước sạch để sử dụng. Tốc độ dòng chảy

qua cột lọc từ 1-4 lít/giờ.

2.3. Đánh giá khả năng diệt
khuẩn của vật liệu nanocomposit Ag/Silica

Kết quả đo phổ FT-IR của vật liệu silica và vật liệu silica đã chức
năng hóa được thể hiện trên Hình 3. Có thể thấy rằng, đỉnh hấp thụ
tại bước sóng 951cm-1 thể hiện liên kết của silic và nhóm hydroxyl,
sự suy giảm của đỉnh hấp thụ này (Hình 3b) chứng minh các hạt
silica đã được chức năng hóa bởi APTES [9]. Ngồi ra, đỉnh hấp
thụ tại bước sóng 1160cm-1 là của liên kết Si-O-Si.

Khả năng diệt khuẩn của vật
liệu Ag/Silica được thực hiện
bằng cách cho dung dịch vi
khuẩn E.coli và Coliforms đi
qua cột lọc đã được nhồi vật
liệu Ag/Silica. Các mẫu vi
khuẩn sau khi qua cột lọc được
cấy lên đĩa thạch và đưa vào tủ
ấm ni ở 370C trong 24 giờ.
Mật độ vi khuẩn trước và sau

Hình 2. B l c n c nano b c

3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
3.1. Phổ FT-IR của vật liệu APTES-SILICA

3.2. Phổ cộng hưởng plasmon của vật liệu Ag/Silica
Từ kết quả đo UV – VIS (Hình 4) có thể nhận thấy rằng vật liệu

Ag/Silica tổng hợp được hấp thụ ở bước sóng khoảng 400nm đặc
trưng cho đỉnh hấp thụ plasmon của các hạt nano bạc. Đỉnh hấp
thụ cực đại nhọn, cân đối có độ bán rộng hẹp, điều này có nghĩa
là dung dịch nano Ag thu được có kích thước khá đồng đều.

Hình 3. Ph FT-IR c a v t li u silica (a) và v t li u AFSBs (b)

Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 4,5&6-2016

31


K t qu nghiên c u KHCN

3.3. Ảnh TEM của vật liệu
Ag/Silica (Hình 5)
3.4. Khả năng khử trùng của
vật liệu Ag/Silica
Kết quả đánh giá khả năng
khử trùng của vật liệu Ag/Silica
được thể hiện trên Bảng 1.
Trong nghiên cứu này, khả
năng khử trùng của vật liệu
Ag/Silica được thể hiện khi cho
dung dịch vi khuẩn đi qua cột
lọc với lưu lượng khác nhau.
Kết quả nghiên cứu cho thấy,
khơng phát hiện thấy vi khuẩn
E.coli và Coliforms sau khi đi
qua cột lọc với tốc độ dòng

chảy từ 1-4 lít/giờ. Kết quả
thực nghiệm chứng minh vật
liệu nanocomposit là một vật
liệu kháng khuẩn đầy triển
vọng ứng dụng để khử trùng
nước.

Hình 4. Ph UV – VIS c a v t li u Ag/Silica

3.5. Đánh giá t c đ gi i
phóng nano b c c a v t li u
Ag/Silica

Hình 5.

nh TEM c a v t li u nanocomposite Ag/Silica

B ng 1. Kh năng kh trùng c a v t li u nanocomposit Ag/Silica
Hiệu quả kháng khuẩn (CFU/ml)
TT

Chủng vi
khuẩn

Sau lọc/Tốc độ dòng (l/h)
Trước lọc
1,0

1,5


2,0

3,0

4,0

1

E.coli

3,2×104

0

0

0

0

0

2

Coliforms

5,2×105

0


0

0

0

0

32

Một thơng số rất quan trọng
để đánh giá tuổi thọ của cột
lọc nước có chứa vật liệu
Ag/Silica đó là hàm lượng bạc
rửa trơi trong q trình lọc.
Thơng số này cho thấy cột lọc
có an tồn cho người dùng
hay khơng cũng như hiệu quả
của q trình lọc. Bảng 2 thể
hiện kết quả phân tích hàm
lượng bạc giải phóng vào
nước qua lọc.
Kết quả thu được trên bảng
2 cho thấy, trong q trình lọc
lượng bạc từ cột lọc bị rửa ra
rất ít 52,49μg sau 16 giờ lọc,
cho phép các ion bạc được
giải phóng từ từ ra xung
quanh và hình thành nên một


Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 4,5&6-2016


K t qu nghiên c u KHCN

B ng 2. T c đ gi i phóng nano b c c a v t li u Ag/Silica
TT

Thời gian lọc (giờ)

Nồng độ ion bạc (Pg/l)

1

0

3,72

2

1

4,30

3

2

5,98


4

7

45,97

5

16

52,49

hệ diệt khuẩn có khả năng điều tiết và nằm trong vùng an tồn
với người sử dụng. Theo thời gian, hàm lượng nano bạc từ bề
mặt hạt silica sẽ bị rửa trơi vào nước và mất dần theo thời gian
[6, 10].
4. KẾT LUẬN
Trong nghiên cứu này, vật liệu nanocomposit Ag/Silica đã
được tổng hợp thành cơng bằng cách chức năng hóa bề mặt silica bằng APTES. Các kết quả cũng đã chứng minh, nano bạc
tồn tại trong nanocomposit. Nano bạc với kích thước trung bình
từ 30-40nm đã được tạo thành và đã được tìm thấy trên bề mặt
của các hạt silica. Vật liệu tổ hợp này đã được chứng minh là
có khả năng tiêu diệt E.coli và Coliforms trong nước. Vật liệu
Ag/Silica có khả năng giải phóng các ion bạc vào nước cho tác
dụng diệt khuẩn kéo dài và có kiểm sốt. Đặc biệt, vật liệu
nanocomposit Ag/Silica có thể được sử dụng để khử trùng
nước đạt hiệu quả cao và ứng dụng để sản xuất các bộ lọc
nước nhỏ gọn cầm tay.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. L.N. Nelson, J.A. Franklin, S. Patrick and A.S. Joseph.
Environmental Engineering: Water, Wastewater, Soil and
Groundwater. Treatment and Remediation (John Wiley & Sons,
Inc) (2009).
[2]. M.A. Tartanson et al. A new silver based composite material for
SPA water disinfection. Water Research, 63: 135-146 (2014).
[3]. L. Shihong et al. Silver nanoparticle-alginate composite beads
for point-of-use drinking water disinfection, Water Research, 47:
3959-3965 (2013).

water disinfection and biofouling control, Nanoscale, 5:
5549-5560 (2013).
[5]. N.Q. Buu et al. Studies on
manufacturing of topical wound
dressings based on nanosilver
produced by aqueous molecular solution method, Journal of
Experimental Nanoscience, 6
(4): 409–421 (2011).
[6]. D.V. Quang et al. Effective
water disinfection using silver
nanoparticle containing silica
beads,
Applied
Surface
Science, 266: 280–287 (2013).
[7]. D.V. Quang et al.
Preparation of amino functionalized silica micro beads by dry
method for supporting silver
nanoparticles with antibacterial
properties,

Colloids
and
Surfaces A: Physicochemical
and Engineering Aspects, 389:
118–126 (2011).
[8]. D.V. Quang et al. Synthesis
of silver nanoparticles within
the pores of functionalized-free
silica beads: The effect of pore
size and porous structure,
Materials Letters, 68: 350–353
(2012).
[9]. D.V. Quang et al.
Preparation of silver nanoparticle containing silica micro
beads and investigation of their
antibacterial activity, Applied
Surface
Science,
257:
6963–6970 (2011).
[10]. Silver in Drinking-water,
World Health Organization,
2003.

[4]. K.D. Sujoy et al. Nano-silica fabricated with silver nanoparticles: antifouling adsorbent for efficient dye removal, effective

Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 4,5&6-2016

33




×