Nghiên cứu cố định bạc kim loại kích thước nanomet trên bề mặt than hoạt tính làm vật liệu tiệt trùng nước001
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (12.58 MB, 74 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ N ỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------
Dương Thị Thu Hương
NGHIÊN C ỨU CỐ ĐỊNH BẠC KIM LOẠI KÍCH
THƯỚC NANOMET TRÊN B Ề MẶT THAN HOẠT
TÍNH LÀM V ẬT LIỆU TIỆT TRÙNG NƯỚC
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Hà N ội – 2016
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ N ỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------
Dương Thị Thu Hương
NGHIÊN C ỨU CỐ ĐỊNH BẠC KIM LOẠI KÍCH
THƯỚC NANOMET TRÊN B Ề MẶT THAN HOẠT
TÍNH LÀM V ẬT LIỆU TIỆT TRÙNG NƯỚC
Chuyên ngành: Hóa môi trường
Mã số: 60440120
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS. TS. TRẦN HỒNG CÔN
Hà N ội – 2016
LỜI CẢM ƠN
Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, em xin chân thành c ảm ơn PGS. TS.
Trần Hồng Côn, thầy đã giao đề tài và t ận tình hướng dẫn, tạo mọi điều kiện thuận lợi
cho em trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành lu ận văn.
Em xin chân thành c ảm ơn các thầy cô giáo tại bộ môn Hoá Môi trường và các
phòng thí nghiệm tại khoa Hóa học – Trường Đại học Khoa học Tự nhiện – Đại học
Quốc Gia Hà Nội đã giúp đỡ em trong suốt thời gian học tập và nghiên c ứu vừa qua.
Chân thành c ảm ơn các bạn học viên, các em sinh viên làm vi ệc trong phòng
thí nghiệm hóa môi trường đã giúp đỡ tôi trong quá trình tìm tài liệu và hoàn thi ện
luận văn.
Trong quá trình làm nghiên cứu và báo cáo đề tài, chắc chắn sẽ không tránh khỏi
những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự góp ý của quý thầy cô để đề tài được hoàn
thiện hơn.
Em xin chân thành c ảm ơn!
Hà N ội, ngày 18 tháng 01 năm 2016
Học viên:
Dương Thị Thu Hương
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1
Bảng 1.2
Bảng 1.3
Bảng 3.1
Bảng 3.2
Bảng 3.3
Bảng 3.4
Bảng 3.5
Bảng 3.6
Bảng 3.7
Bảng 3.8
Bảng 3.9
Bảng 3.10
Bảng 3.11
Bảng 3.12
Bảng 3.13
DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1
Tác động của
Hình 1.2
Ion bạc liên
Hình 1.3
Khẩu trang n
Hình 1.4
Dược phẩm,
Hình 1.5
Dung dịch na
Hình 1.6
Các sản phẩm
Hình 2.1
Quy trình tổn
Hình 2.2
Sơ đồ nguyê
Hình 2.3
Ảnh TEM củ
Hình 2.4
Sơ đồ nguyê
Hình 3.1
Ảnh TEM củ
Hình 3.2
Dung dịch na
Hình 3.3
Ảnh SEM củ
Hình 3.4
Ảnh SEM củ
Hình 3.5
Ảnh SEM củ
Hình 3.6
Ảnh SEM củ
Hình 3.7
Ảnh SEM củ
Hình 3.8
Ảnh SEM củ
Hình 3.9
Kết quả khảo
Hình 3.10
Kết quả khảo
Hình 3.11
Sự phụ thuộc
Hình 3.12
Kết quả khảo
pháp tĩnh
Hình 3.13
Sự phụ thuộc
Hình 3.14
Kết quả khảo
Hình 3.15
Sự phụ thuộc
Hình 3.16
Kết quả khảo
Hình 3.17
Sự phụ thuộc
Hình 3.18
Kết quả khảo
Hình 3.19
Sự phụ thuộc
Hình 3.20
Kết quả khảo
Hình 3.21
Sự phụ thuộc
Hình 3.22
Kết quả khảo
Hình 3.23
Sự phụ thuộc
Hình 3.24
Kết quả khảo
Hình 3.25
Sự phụ thuộc
Hình 3.26
Kết quả khảo
Hình 3.27
Sự phụ thuộc
Hình 3.28
Kết quả khảo
Hình 3.29
Khảo sát chi
Hình 3.30
Sự phụ thuộc
sông Kim Ng
Hình 3.31
Kết quả khảo
Hình 3.32
Sự phụ thuộc
sông Kim Ng
BẢNG KÍ HIỆU CÁC CH Ữ VIẾT TẮT
AC
CFU
PEG
PVA
PVP
SEM
TEM
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU.................................................................................................................................................. 1
Chương 1: TỔNG QUAN.................................................................................................................. 2
1.1 Công ngh ệ nano và vật liệu nano bạc............................................................................... 2
1.1.1 Công ngh ệ nano................................................................................................................ 2
1.1.2 Vật liệu nano....................................................................................................................... 3
1.1.3 Bạc và nano bạc................................................................................................................. 4
1.2 Sơ lược về hấp phụ và than hoạt tính.............................................................................. 13
1.2.1 Khái niệm hấp phụ......................................................................................................... 13
1.2.2 Chất hấp phụ..................................................................................................................... 14
1.2.3 Than hoạt tính.................................................................................................................. 15
1.3 Ô nhi ễm vi sinh vật trong nước sinh hoạt và nước thải.......................................... 18
1.3.1 Nguồn ô nhi ễm và sự phân bố vi sinh vật trong nước và thực phẩm........18
1.3.2 Đặc điểm của coliform................................................................................................. 19
1.3.3 Các phương pháp định lượng vi sinh vật............................................................... 20
Chương 2: THỰC NGHIỆM......................................................................................................... 23
2.1 Hóa ch ất và dụng cụ............................................................................................................. 23
2.1.1 Hóa ch ất............................................................................................................................ 23
2.1.2 Dụng cụ.............................................................................................................................. 23
2.2 Tổng hợp vật liệu.................................................................................................................... 24
2.2.1 Quy trình điều chế dung dịch nano bạc.................................................................. 24
2.2.2 Quy trình tổng hợp vật liệu than hoạt tính tẩm nano bạc................................ 25
2.2.3 Xác định lượng nano bạc dư trong dung dịch lọc.............................................. 26
2.3 Quy trình khảo sát khả năng tiệt trùng c ủa vật liệu.................................................. 27
2.3.1 Rửa và khử trùng d ụng cụ.......................................................................................... 27
2.3.2 Chuẩn bị mẫu nước thử nghiệm................................................................................ 28
2.3.3 Chuẩn bị môi trường thạch Endo............................................................................. 29
2.3.4 Định lượng coliform...................................................................................................... 29
2.4 Một số phương pháp nghiên cứu vật liệu...................................................................... 30
2.4.1 Kính hiển vi điện tử truyền qua................................................................................. 30
2.4.2 Kính hiển vi điện tử quét............................................................................................. 32
Chương 3: KẾT QUẢ VÀ TH ẢO LUẬN............................................................................... 33
3.1 Kết quả nghiên cứu cấu trúc của các vật liệu............................................................... 34
3.1.1 Kết quả phân tích dung dịch nano bạc.................................................................... 34
3.1.2 Kết quả nghiên cứu các vật liệu than hoạt tính tẩm nano bạc.......................35
3.2 Khảo sát khả năng diệt khuẩn của các vật liệu Ag – AC......................................... 39
3.2.1 Khảo sát số lượng coliform trong mẫu nước đầu............................................... 39
3.2.2 Khảo sát khả năng diệt khuẩn của các vật liệu Ag – AC theo phương pháp
tĩnh................................................................................................................................................... 40
3.2.3 Khảo sát khả năng diệt khuẩn của các vật liệu Ag – AC theo phương pháp
động................................................................................................................................................. 43
3.2.4 Khảo sát khả năng diệt khuẩn của vật liệu Ag – AC với nước sông Kim
Ngưu – Hà Nội............................................................................................................................ 51
KẾT LUẬN.......................................................................................................................................... 55
TÀI LI ỆU THAM KHẢO............................................................................................................. 56
MỞ ĐẦU
Hiện nay tình trạng ô nhi ễm môi trường nước đang được nhiều nhà khoa học
quan tâm bởi nước sạch là nhu cầu thiết yếu của cuộc sống. Nước sinh hoạt bị ô
nhiễm thường chứa các chất có h ại cho sức khỏe của con người hoặc lượng lớn các
vi sinh vật gây bệnh cho người và động vật.
Coliform là vi khuẩn thường gặp có s ố lượng lớn trong môi trường từ phân
người và động vật. Coliform được coi như là vi sinh vật chỉ thị cho mức độ ô nhi ễm
vi khuẩn của các nguồn nước. Chính vì vậy mà việc khử trùng nước cho mục đích
sinh hoạt và ăn uống đang thu hút các nhà khoa học nghiên cứu sử dụng công ngh ệ
đã có t ừ nghìn năm trước là sử dụng kim loại bạc.
Bạc được biết đến là kim loại quý và kh ả năng diệt khuẩn rất tốt. Tuy nhiên
vấn đề kinh tế cũng là một rào cản không nhỏ để đưa những vật liệu chứa bạc ứng
dụng một cách rộng rãi vào cu ộc sống. Công ngh ệ nano ra đời đã đưa những ứng
dụng của bạc phát triển lên một tầm cao mới. Ở kích thước nano, bạc thể hiện khả
năng kháng khuẩn mạnh mà không gây ảnh hưởng tới con người và môi trường.
Cách sử dụng nano bạc làm chất diệt khuẩn có th ể là đưa trực tiếp vào nước.
Phương pháp này tốn kém hơn so với cố định nano bạc lên một vật liệu mang và
quá trình diệt khuẩn được thực hiện như một quá trình lọc nước.
Than hoạt tính từ lâu đã được sử dụng để làm sạch nước. Tuy nhiên, ứng dụng
của than trong xử lý n ước mới chỉ dừng lại ở việc loại bỏ các hợp chất hữu cơ và một
số thành phần lơ lửng trong nước. Trong những năm gần đây, việc sử dụng than hoạt
tính biến tính bằng một số ion kim loại thể hiện rõ tri ển vọng ứng dụng để làm sạch
nước ngầm sử dụng trong sinh hoạt. Với tham vọng tổng hợp được một vật liệu mới tận
dụng khả năng hấp phụ của than hoạt tính và khả năng kháng khuẩn của nano bạc,
chúng tôi l ựa chọn nano bạc là tác nhân dùng để biến tính than hoạt tính.
Vì vậy, chúng tôi đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu cố định bạc kim loại kích
thước nanomet trên bề mặt than hoạt tính làm v ật liệu tiệt trùng nước”.
1
Chương 1: TỔNG QUAN
1.1 Công ngh ệ nano và v ật liệu nano bạc
1.1.1 Công ngh ệ nano
1.1.1.1 Khái ni ệm và ngu ồn gốc của công ngh ệ nano
Công ngh ệ nano là ngành công ngh ệ liên quan đến việc chế tạo, thiết kế,
phân tích cấu trúc và ứng dụng các cấu trúc, thi ết bị và hệ thống bằng việc điều
khiển hình dáng, kích thước trên quy mô nanom et (nm, 1 nm = 10
-9
m). Ở kích
thước nano, vật liệu sẽ có nh ững tính năng đặc biệt mà vật liệu truyền thống không
có được đó là do sự thu nhỏ kích thước và việc tăng diện tích mặt ngoài.
Ý
t ưởng cơ bản về công ngh ệ nano được đưa ra bởi nhà vật lý h ọc người Mỹ Richard
Feynman vào năm 1959, ông đề cập tới khả năng chế tạo vật chất ở kích thước siêu nhỏ đi từ
quá trình tập hợp các nguyên t ử, phân tử. Nhưng thuật ngữ
“công nghệ nano” mới bắt đầu được sử dụng vào năm 1974 do Nario Taniguchi một
nhà nghiên c ứu tại trường đại học Tokyo sử dụng để đề cập khả năng chế tạo cấu
trúc vi hình của mạch vi điện tử. Những năm 1980, nhờ sự ra đời của hàng loạt các
thiết bị phân tích, trong đó có kính hiển vi đầu dò quét có kh ả năng quan sát đến
kích thước vài nguyên t ử hay phân tử, con người mới có th ể quan sát và hi ểu rõ h
ơn về lĩnh vực nano. Từ đó, công nghệ nano bắt đầu được đầu tư nghiên cứu và phát
triển mạnh mẽ.
1.1.1.2 Cơ sở khoa học của công nghệ nano
Công ngh ệ nano dựa trên những cơ sở khoa học chủ yếu sau:
-
Chuyển tiếp từ tính chất cổ điển đến tính chất lượng tử: Đối với vật liệu
vĩ mô gồm rất nhiều nguyên tử, các hiệu ứng lượng tử được trung bình hóa với rất
nhiều nguyên tử (1 µm
3
có kho ảng 10
12
nguyên tử) và có th ể bỏ qua các thăng
giáng ngẫu nhiên. Nhưng các cấu trúc nan o có ít nguyên tử hơn thì các tính chất
lượng tử thể hiện rõ ràng h ơn.
2
-
Hiệu ứng bề mặt: Khi vật liệu có kích thước nm, các số nguyên tử nằm
trên bề mặt sẽ chiếm tỉ lệ đáng kể so với tổng số nguyên tử. Chính vì vậy các hiệu
ứng có liên quan đến bề mặt, gọi tắt là hiệu ứng bề mặt sẽ trở nên quan trọng làm
cho tính chất của vật liệu có kích thước nanomet khác biệt so với vật liệu ở dạng
khối. Ví dụ như Au là vật liệu rất trơ về mặt hó a học nhưng Au ở cấp độ nano lại là
chất có hoạt tính xú c tác, ferit sắt từ nano là chất hấp phụ tốt đối với một số ion độc
như As, Cr…điều này mở ra những ứng dụng quan trọng trong lĩnh vực xú c tác,
côn g nghệ sinh học và mô i trường.
-
Kích thước tới hạn: Vật liệu thôn g thường thường được đặc trưng bởi
một số tính chất vật lý, hó a học khô ng đổi như độ dẫn điện, nhiệt độ nóng chảy,
nhiệt độ sô i, tính từ… tuy nhiên các tính chất này đều có một giới hạn nhất định về
kích thước. Nếu kích thước của vật liệu nhỏ hơn kích thước này thì tính chất của nó
hoàn toàn bị thay đổi. Kích thước đó gọi là kích thước tới hạn. Vật liệu nano có
tính chất đặc biệt là do kích thước của chún g có thể so sánh được với kích thước
tới hạn của các tính chất vật liệu [2].
1.1.2 Vật liệu nano
Vật liệu nano là những tập hợp của nguyên tử kim loại hay phi kim hay phân
tử của những oxit, sunfua, nitrua, clorua…có kích thước hạt trung bình trong
khoảng từ 1 – 100nm. Đó cũng có thể là các v ật liệu xốp với đường kính mao quản
nằm trong giới hạn tương tự (zeolit, photphat và cacboxylat kim loại…) [2].
Về hình dáng, người ta chia vật liệu nano thành các lo ại:
-
Vật liệu một chiều là vật liệu trong đó chỉ có m ột chiều là kích thước
nano. Ví dụ như dây nano, ống nano…
-
Vật liệu nano hai chiều là vật liệu có hai chi ều là kích thước nano ví dụ
như màng mỏng.
-
Vật liệu nano ba chiều (cả ba chiều đều có kích thước nano) như đám
nano, dung dịch keo nano, hạt nano…
3
-
Vật liệu nanocomposit là vật liệu trong đó chỉ có m ột phần của vật liệu có
cấu trúc nano ho ặc gồm các cấu trúc nano ba chi ều, một chiều, hai chiều đan xen
như Ag/silica…
1.1.3 Bạc và nano bạc
1.1.3.1 Giới thiệu về bạc kim loại
Nguyên tố bạc có kí hiệu hóa h ọc là Ag, nằm ở ô 47, chu kì 5, nhóm IB,
trong Bảng tuần hoàn các nguyên t ố hóa h ọc. Cấu hình electron các phân lớp ngoài
cùng là 4d
10
1
5s . Ag kết tinh ở dạng lập phương tâm diện, có bán kính nguyên t ử là
0
1,44 . Ag là kim loại nặng, mềm, có ánh kim, màu tr ắng, có hai đồng vị bền là
107
Ag (51,9%) và
109
Ag (48,1%) [6].
Nhiệt độ sôi, nhi ệt độ nóng ch ảy và nhiệt độ thăng hoa của bạc cao hơn
nhiều so với hầu hết các kim loại khác. Về độ dẫn điện và dẫn nhiệt, bạc đứng đầu
trong số tất cả các kim loại. Bạc cũng vượt xa các kim loại khác về tính dẻo, dễ dát
mỏng và dễ kéo sợi.
Về mặt hóa h ọc, bạc là kim loại rất kém hoạt động. Bạc không tác d ụng với
oxi không khí kể cả khi đun nóng nên bạc được xem là kim loại quý điển hình.
Bảng 1.1: Số nguyên tử bạc trong một đơn vị thể tích [11]
Kích thước của hạt nano Ag (nm)
Số nguyên tử chứa trong đó
1
31
5
3900
20
250000
1.1.3.2 Đặc tính kháng khuẩn của bạc
Từ xa xưa, người ta đã sử dụng đặc tính này của bạc để phòng b ệnh. Người
cổ đại sử dụng các bình bằng bạc để lưu trữ nước, rượu dấm. Trong thế kỷ 20,
4
người ta thường đặt một đồng bạc trong chai sữa để kéo dài độ tươi của sữa. Bạc và
các hợp chất của bạc được sử dụng rộng rãi từ đầu thế kỷ XIX đến giữa thế kỷ XX
để điều trị các vết bỏng và khử trùng. Bạc và các h ợp chất của bạc thể hiện tính độc
đối với vi sinh vật, virus, tảo và nấm. Tuy nhiên, khác v ới các kim loại nặng khác
(chì, thủy ngân…) bạc không th ể hiện tính độc với con người.
Sau khi thuốc kháng sinh được phát minh và đưa vào ứng dụng với hiệu quả
cao người ta không còn quan tâm đến tác dụng kháng khuẩn của bạc nữa. Tuy
nhiên, từ những năm gần đây, do hiện tượng các chủng vi sinh ngày càng tr ở nên
kháng thuốc, người ta lại quan tâm trở lại đối với việc ứng dụng khả năng diệt
khuẩn và các ứng dụng khác của bạc, đặc biệt là dưới dạng hạt có kích thước nano.
1.1.3.3 Cơ chế kháng khuẩn của bạc
Hình 1.1: Tác động của ion bạc lên vi sinh vật
Đã có nhiều công trình khoa học nghiên cứu giải thích hoạt tính kháng khuẩn
của bạc. Tuy nhiên cơ chế chính xác của bạc và ion bạc tấn công vào vi sinh vật như
thế nào vẫn đang được tiếp tục nghiên cứu. Hiện nay tồn tại một số quan điểm giải
thích cơ chế diệt khuẩn của bạc. Các quan điểm này chủ yếu dựa trên sự vô hi ệu hóa
nhóm thiol trong men v ận chuyển oxi hoặc sự tương tác với DNA dẫn đến sự đime hóa
pyri đin và cản trở quá trình sao chép DNA của tế bào vi sinh vật. Các nhà khoa
học thuộc hãng Inovation Hàn Qu ốc cho rằng bạc tác dụng lên màng b ảo vệ của tế
bào vi sinh vật. Màng này là m ột cấu trúc g ồm protein được liên kết với nhau bằng
cầu nối amioaxit để tạo độ cứng cho màng: các protein được gọi là peptidoglican.
5
Các ion bạc tương tác với các nhóm peptidogli can và ức chế khả năng vận chuyển
oxy của chúng vào bên trong t ế bào dẫn đến làm tê li ệt vi sinh vật. Nếu các ion bạc
được lấy ra khỏi tế bào ngay sau đó thì khả năng hoạt động của vi sinh vật có th ể
lại được phục hồi. Các tế bào động vật cao có l ớp màng bảo vệ hoàn toàn khác so v
ới tế bào vi sinh vật với hai lớp lipoprotein giàu liên k ết đôi có khả năng cho điện
tử, do đó không cho phép các ion bạc xâm nhập. Vì vậy chúng không b ị tổn thương
khi tiếp xúc v ới các ion này. Do đó, hạt bạc không có kh ả năng tấn công đến các tế
bào của động vật bậc cao, đặc biệt là con người. Đây là lí do khiến hạt bạc được sử
dụng làm tác nhân di ệt khuẩn [16, 17].
Ngoài ra, các ion b ạc còn có kh ả năng ức chế quá trình phát triển của vi
khuẩn bằng cách sản sinh ra oxi hoạt tính trên bề mặt của hạt bạc:
2Ag
+
+
O
2-
2Ag
o
+
O
o
Theo các nhà khoa h ọc Nga, hiện nay đã có nhi ều lý thuy ết về cơ chế tác
dụng diệt vi sinh vật của nano bạc được đề xuất, trong đó lý thuyết hấp phụ được
nhiều người chấp nhận hơn cả. Bản chất của thuyết này là ở chỗ tế bào vi sinh vật bị
vô hi ệu hóa là do k ết quả của quá trình tương tác tĩnh điện giữa bề mặt mang điện
tích âm của tế bào và ion Ag
+
được hấp phụ lên đó, các ion này sau đó xâm nhập
vào bên trong t ế bào vi sinh vật và vô hi ệu hóa chúng [20].
Ngoài ra, có m ột cơ chế tác động của các ion bạc lên vi sinh vật đáng chú ý
được mô t ả như sau:
+
Sau khi Ag tác động lên lớp màng bảo vệ của tế bào vi sinh vật gây bệnh nó
sẽ đi vào bên trong tế bào và ph ản ứng với nhóm sunfuahydrin – SH của phân tử
6
enzym chuyển hóa oxy và vô hi ệu hóa men này d ẫn đến ức chế quá trình hô hấp
của tế bào vi sinh vật [11].
Bên cạnh đó, các ion bạc còn có kh ả năng liên kết với các bazơ của DNA và
trung hòa điện tích của gốc photphat do đó ngăn chặn quá trình sao chép DNA.
Hình 1.2: Ion bạc liên kết với các ba zơ của DNA
Cho đến nay mới chỉ có m ột quan điểm liên quan đến cơ chế tác động của
nano bạc lên tế bào vi sinh vật là được đa số các nhà khoa h ọc thừa nhận. Đó là khả
năng diệt vi sinh vật của hạt nano bạc nhờ quá trình chuyển đổi các nguyên t ử bạc
+
kim loại thành dạng ion Ag tự do và các ion t ự do này sau đó tác dụng lên vị trí
mang điện tích âm trên vi sinh vật. Mặc dù cơ chế tác dụng của các ion bạc lên vi
sinh vật vẫn chưa hoàn toàn sáng tỏ, nhưng đa số các nhà nghiên c ứu có cùng quan
điểm thống nhất rằng chúng phá h ủy chức năng hô hấp hoặc phá hủy chức năng của
tế bào, hoặc liên kết với DNA của tế bào vi sinh vật và phá h ủy chức năng của
chúng [1 9].
1.1.3.4 Bạc nano và tính ưu việt của bạc nano so với bạc ion và b ạc khối
Nano bạc là tập hợp của các nguyên t ử bạc có kích thước từ 1 tới 100 nm
thường được chế tạo ở dạng bột và dạng keo. Nano bạc mang đầy đủ tính chất của
bạc khối như dẫn điện, dẫn nhiệt, khả năng xúc tác, tính điện quang, khả năng diệt
khuẩn. Ngoài ra, bạc nano có nhi ều tính khác biệt so với bạc kim loại nhờ các đặc
tính của nano như diện tích bề mặt lớn, khả năng phân tán tốt trong các dung môi.
7
Điển hình như khả năng diệt khuẩn, xúc tác t ốt hơn hẳn so với bạc kim loại hay bạc
ion và lượng bạc cần sử dụng thì ít hơn rất nhiều góp ph ần tiết kiệm chi phí sản
xuất.
Các hạt nano bạc có hi ện tượng cộng hưởng Plasmon bề mặt. Hiện tượng
này tạo nên màu s ắc từ vàng nhạt đến đen cho các dung dịch có ch ứa hạt nano bạc
với các màu s ắc phụ thuộc vào nồng độ và kích thước hạt nano. Khả năng kháng
khuẩn xuất hiện cả ở bạc kim loại, bạc ion và bạc nano bởi chúng đều có th ể giải
phóng ion bạc ra môi trường và chính những ion này đóng vai trò là ch ất diệt
khuẩn. Nhưng khi ở trạng thái bạc khối, lượng ion bạc được giải phóng ra là r ất ít;
còn nếu sử dụng dung dịch ion bạc để diệt khuẩn thì thời gian tác dụng ngắn do tính
không b ền của ion bạc. Ở trạng thái nano, với diện tích bề mặt riêng rất lớn là một
hệ giải phóng ion b ạc tốt, các ion bạc được giải phóng t ừ từ vào môi trường nên
đạt khả năng diệt khuẩn cao và lâu dài [4, 8].
Bạc nano là vật liệu có di ện tích bề mặt riêng rất lớn bạc có kh ả năng kháng
+
khuẩn tốt hơn so với các vật liệu khối do khả năng giải phóng nhi ều ion Ag hơn
đồng thời có nh ững đặc tính độc đáo sau [11]:
Tính khử khuẩn, chống nấm, khử mùi, có kh ả năng phát xạ tia hồng
ngoại
đi xa, chống tĩnh.
-
Không có h ại cho sức khỏe con người với liều lượng tương đối cao, không
có ph ụ gia hóa ch ất.
-
Có kh ả năng phân tán ổn định trong các loại dung môi khác nhau (trong các
dung môi phân c ực như nước và trong các dung môi không phân c ực như benzene,
toluene).
-
Độ bền hóa h ọc cao, không b ị biến đổi dưới tác dụng của ánh sáng và các
tác nhân oxy hóa kh ử thông thường.
-
Chi phí cho quá trình sản xuất thấp.
-
Ổn định ở nhiệt độ cao.
8
1.1.3.5 Ứng dụng diệt khuẩn của vật liệu nano bạc
Do thể hiện tính kháng khuẩn tốt nên nano bạc thường được sử dụng để làm
chất khử trùng, kháng khu ẩn, khử mùi… Nano bạc có th ể sử dụng ở dạng dung dịch
làm chất diệt khuẩn trực tiếp hay đưa vào các vật liệu khác để tạo ra những sản phẩm
mới có kh ả năng kháng khuẩn rất tốt. Chúng có ph ổ diệt khuẩn rộng và không ảnh
hưởng tới sức khỏe con người nên được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác
nhau.
-
Trong y học người ta dùng nano bạc để làm các lo ại bông g ạc y tế (gạc
chữa bỏng được phủ nano bạc), các dụng cụ phẫu thuật, dung dịch tẩy trùng và m ột
số dược phẩm.
-
Trong may mặc người ta có th ể tạo ra vải có ch ứa nano bạc giúp cho lo ại
vải mới này có kh ả năng tự diệt khuẩn và nhờ đặc tính bề mặt mà nó c ũng giảm
khả năng bám bẩn của vải.
-
Nhờ tính năng khử khuẩn của nano bạc và tác d ụng lọc mùi, l ọc khí độc của
than hoạt tính, khẩu trang kết hợp nano bạc và than hoạt tính được sản xuất hứa hẹn
ngăn ngừa cúm A/ H1N1. Khẩu trang nano bạc: Được thiết kế với 3-4 lớp gồm 2 lớp
vải, một lớp vật liệu tẩm nano bạc và than hoạt tính ở giữa, loại khẩu trang này có khả
năng diệt khuẩn, diệt virus, lọc không khí rất tốt. Lớp vải tẩm nano bạc có ch ức năng
diệt vi sinh vật, virus, nấm bị giữ lại trên khẩu trang đồng thời có tác d ụng khử
mùi.
Trong xây dựng sử dụng sơn nano bạc có kh ả năng tự diệt khuẩn
chống
bám bẩn, dễ lau chùi.
-
Trong nông nghi ệp người ta đã tạo ra dung dịch thuốc bảo vệ thực vật từ
nano bạc có kh ả năng diệt nấm mốc mà không ảnh hưởng tới sức khỏe con người.
-
Ứng dụng của hạt bạc nano sản xuất hàng tiêu dùng: trong sinh ho ạt hằng
ngày các đồ dùng sinh ho ạt được phủ nano bạc như tủ lạnh, bộ lọc điều hòa nhi ệt
độ, bình lọc nước, bình sữa... với tác dụng chính là chống khuẩn. Những đồ dùng
9
bằng nhựa có pha thêm h ạt nano bạc có tác d ụng khử trùng. Qua ki ểm tra cho thấy
chúng có kh ả năng diệt 99,9% vi sinh vật.
-
Màng hô h ấp: Đó là một tấm màng mỏng có th ể cho khí và hơi nước qua
nhưng không thể cho chất lỏng đi qua, có vô số những lỗ khí nhỏ tồn tại trong tấm
film. Các hạt nano bạc gần đây đã được kết hợp với film polyolefin với đặc tính
kháng khuẩn rất tốt.
Dưới đây là một số hình ảnh về ứng dụng của nano bạc:
Hình 1.3: Khẩu trang nano bạc do Viện Công ngh ệ môi trường sản xuất
Hình 1.4: Dược phẩm, mỹ phẩm sử dụng nano bạc
Hình 1.5: Dung dịch nano bạc dùng cho nông nghi ệp và th ủy sản
10
Hình 1.6: Các s ản phẩm khác có ch ứa nano
bạc 1.1.3.6 Các phương pháp điều chế nano bạc
Người ta có th ể sử dụng các quy trình khác nhau cũng như các điều kiện
khác nhau: chất đầu, phương pháp, điều kiện lọc, rửa, sấy, nung... để điều chế bạc
nano với kích cỡ khác nhau để phục vụ cho những mục đích khác nhau. Nói chung,
cũng giống như các vật liệu nano khác, bạc nano chủ yếu được tổng hợp bằng hai
phương pháp vật lý và ph ương pháp hóa học. Ở đây, chúng tôi chỉ đề cập đến một
số phương pháp điển hình đã được biết khá rộng rãi trên th ế giới.
* Phương pháp khử hoá h ọc
chế
Phương pháp khử hoá học là phương pháp phổ biến trong việc điều
các hạt keo bạc nano.
-
Nguyên tắc là khử muối bạc (thường dùng AgNO3) dưới sự có m ặt của một
tác nhân b ảo vệ thích hợp cần thiết (thường là các polime và các ch ất hoạt động bề
mặt) để khống chế quá trình lớn lên và t ập hợp của các hạt keo bạc. Kích thước hạt
phụ thuộc vào khả năng khử của chất khử vào tác nhân b ảo vệ và các điều kiện thí
nghiệm (nồng độ dung dịch, nhiệt độ).
-
Tác nhân kh ử đóng vai trò quan tr ọng trong quá trình điều chế. Độ mạnh
yếu của tác nhân kh ử ảnh hưởng tới kích thước, hình dạng của hạt nano tạo thành.
Nếu chất khử quá mạnh, quá trình khử diễn ra nhanh, số lượng hạt keo bạc sinh ra
quá nhiều chưa kịp được bảo vệ thì dễ dàng biến keo tụ thành các h ạt có kích thước
lớn. Nếu chất khử sử dụng quá yếu, quá trình xảy ra chậm, đạt hiệu suất thấp thì dễ
sinh ra nhiều quá trình trung gian và các sản phẩm không mong mu ốn.
11
Các tác nhân khử thường dùng là: etylen glicol, formanđehit, natribohyđrua,
hyđrazin, glucozơ. Các tác nhân kh ử vừa là chất bảo vệ vừa là chất khử lại đóng vai
trò dung môi là thích h ợp nhất trong việc tổng hợp bạc nano.
Chất bảo vệ thường được sử dụng là các polime m ạch dài, các ch ất hoạt
động bề mặt, thiol mạch thẳng có s ố nguyên tử cacbon lớn như: PVP, PVA, PEG...
Các chất bảo vệ này có th ể là chất độc lập khi thêm vào h ỗn hợp phản ứng nhưng
có nhi ều trường hợp, nó chính là sản phẩm khử sinh ra trong quá trình phản ứng
hoặc các muối bạc ban đầu chưa phản ứng hết. Vai trò c ủa chúng là kh ống chế quá
trình lớn lên và t ập hợp các hạt bạc nano tạo thành.
Có nhi ều ý ki ến giải thích khác nhau về vai trò c ủa chất bảo vệ nhưng điểm
chung đều cho là có s ự tương tác giữa các nguyên tử bạc nano ở lớp vỏ ngoài với
các tác nhân này, làm gi ảm năng lượng tự do bề mặt hạt nano. Phân tử các tác nhân
làm b ền thường có các nhóm phân c ực như nhóm -OH ở PVA, xenlulozơ gắn
+
trên các polime có ái l ực mạnh với Ag hay nguyên tử Ag kim loại. Các hạt bạc
nano khi vừa hình thành trên khuôn polime nh ư vậy đã được ngăn cách với nhau và
không th ể kết tụ được với nhau. Điều này đã khống chế quá trình lớn lên và t ập
hợp của các hạt, do đó dễ tạo kích thước nhỏ và đồng đều.
Ngoài ra, các h ạt bạc nano còn được bảo vệ theo quy chế làm bền của các
+
hạt keo. Khi ion Ag chưa bị khử hoàn toàn, chúng được hấp thụ trên bề mặt hạt và
được tạo thành các mixen gồm nhân bạc, một lớp chất bảo vệ và lớp đệm kép của
+
-
Ag và NO3 . Nhờ lớp đệm kép này mà các h ạt nano bạc mang điện tích trái dấu và
đẩy nhau tránh hiện tượng keo tụ.
Ngoài ra các y ếu tố như pH, nồng độ chất tham gia phản ứng, nhiệt độ của
phản ứng, tốc độ, thời gian cũng ảnh hưởng lớn tới chất lượng sản phẩm tạo thành.
Ví dụ khi pH quá lớn sẽ xảy ra quá trình tạo thành Ag 2O nên khó kh ống chế phản
-
ứng, đặc biệt khi pH cao ion OH làm mỏng lớp điện kép bao ngoài h ạt nano làm
các hạt nano dễ tập hợp. Khi nồng độ thấp, tốc độ cung cấp chất phản ứng nhỏ, các
hạt nano tạo thành thường nhỏ và đồng đều hơn.
12
Phương pháp này có ưu điểm là dễ thực hiện, dễ khống chế các điều kiện
phản ứng nhưng chỉ thích hợp với các ứng dụng ở dạng keo vì khó thu sản phẩm ở
dạng bột mịn. Dạng bột mịn khi thu lại thường không b ền bằng dạng dung dịch
keo.
*
Phương pháp phân huỷ nhiệt
Trong phương pháp này người ta thường sử dụng một muối của bạc và axit
hữu cơ thường là các h ọ axit béo mạch dài thẳng làm chất bảo vệ. Nung muối đó ở
o
nhiệt độ dưới 300 C trong vòng 2 gi ờ ta sẽ thu được tinh thể bạc nano với kích cỡ
nhỏ và phân b ố kích thước hẹp.
Phương pháp này đơn giản, ít độc, tốn ít hoá chất, thời gian phản ứng thấp,
dễ dàng tạo ra lượng lớn, kích thước hạt thu được rất nhỏ, phân bố trong một
khoảng hẹp và thường dưới dạng tinh thể.
*
Phương pháp khử vật lý
Phương khử vật lý dùng các tác nhân vật lý như điện tử, sóng điện từ năng
lượng cao như tia gamma, tia tử ngoại, tia laser khử ion bạc thành nano bạc. Dưới
tác dụng của các tác nhân vật lý , có nhi ều quá trình biến đổi của dung môi và các
phụ gia trong dung môi để sinh ra các gốc hóa h ọc có tác d ụng khử ion thành kim
loại.
Ngoài các phương pháp trên còn có ph ương pháp khác như sử dụng màng
chất đa điện ly, phương pháp Polyol, dùng sóng siêu âm, quang hoá hay phương
pháp phóng x ạ kết hợp với thuỷ nhiệt [4, 8].
1.2 Sơ lược về hấp phụ và than ho ạt tính
1.2.1 Khái ni ệm hấp phụ
Hấp phụ là quá trình xảy ra khi một chất khí hay chất lỏng bị hút trên b ề mặt
một chất rắn xốp. Quá trình hấp phụ xảy ra trên bề mặt tiếp xúc gi ữa hai pha dị thể
(rắn - khí, rắn - lỏng, lỏng - khí). Phương pháp này được dùng ch ủ yếu để hấp phụ
hơi dung môi hữu cơ và các khí độc, hiệu quả có th ể đạt tới 90-98%.
13
Có hai ki ểu hấp phụ:
-
Hấp phụ vật lý: Các phần tử khí bị giữ lại trên bề mặt chất hấp phụ nhờ lực
liên kết giữa các phần tử. Quá trình này có to ả nhiệt, độ nhiệt toả ra phụ thuộc vào
cường độ lực liên kết phân tử.
-
Hấp phụ hoá học: Khí bị hấp phụ do có phản ứng hóa học với vật liệu hấp
phụ, lực liên kết phân tử trong trường hợp này mạnh hơn ở hấp phụ vật lý. Do vậy
lượng nhiệt toả ra lớn hơn và cần năng lượng nhiều hơn.
1.2.2 Chất hấp phụ
Chất hấp phụ là chất rắn cấu tạo dạng hạt, trên mỗi hạt có ch ứa vô cùng nhiều
các lỗ rỗng li ti có kh ả năng hấp phụ, bắt giữ mà không có ph ản ứng hóa h ọc gì với
khí độc. Các khí độc này có th ể được nhả ra trong một điều kiện nhất định. Bảng 1.2
giới thiệu một số chất thường dùng than ho ạt tính, cao lanh hoạt hóa,
zeolit, silicagel [15].
Bảng 1.2: Một số chất hấp phụ điển hình
14
Vật liệu hấp phụ cần đảm bảo các yêu cầu sau:
-
Có kh ả năng hấp phụ cao.
-
Phạm vi tác dụng rộng – tách được nhiều loại khí.
-
Có độ bền cơ học cần thiết.
-
Khả năng hoàn nguyên d ễ dàng.
-
Giá thành th ấp.
Sau một thời gian, chất hấp phụ bị no không thể hấp phụ thêm khí độc nữa
thì có thể đổ bỏ cùng rác th ải hoặc hoàn nguyên l ại chất hấp phụ. Giải hấp hay sự
khử hấp phụ là giai đoạn quan trọng của chu trình hấp phụ, khẳng định tính kinh tế
của quá trình làm sạch khí thải. Quá trình này nhằm khôi ph ục lại hoạt tính vốn có
của chất hấp phụ và chính là quá trính hấp phụ ngược. Khí độc bay ra từ quá trình
giải hấp thường có n ồng độ rất cao nên người ta hay sử dụng phương pháp đốt để
khử khí độc trước khi đưa qua các công đoạn tái chế khác hay thải ra môi t rường.
1.2.3 Than hoạt tính (Activated Carbon - AC)
Than hoạt tính là một chất hấp phụ rắn, xốp, không phân c ực và có b ề mặt
2
riêng rất lớn (từ 500 tới 2500 m /g). Về bản chất nguyên tố, than hoạt tính thuộc
nhóm graphit – một dạng thù hình của cacbon – gồm các tinh thể nhỏ có c ấu trúc b
ất trật tự nhưng khác với graphit là trong tinh th ể của than hoạt tính các vòng sáu
nguyên t ử cacbon sắp xếp kém tr ật tự hơn. Vì vậy than hoạt tính có cấu tạo xốp và
tạo nên nhiều lỗ hổng nhỏ không đồng đều và rất phức tạp. Ngoài thành phần chủ
yếu là cacbon, than hoạt tính cò n có một lượng nhỏ các oxit kim
loại, các oxit này ở dạng tro và hàm lượng của nó phụ thuộc vào nguyên liệu ban
đầu.
Than hoạt tính được đặc trưng bởi cấu trúc xốp đa phân tán, với nhiều
phương thức phân bố thể tích lỗ theo kích thước. Đặc tính cấu trúc xốp của than
hoạt tính là chứa các loại lỗ với kích thước khác nhau. Cấu trúc l ỗ xốp phức tạp và
bề mặt riêng khác nhau tùy thu ộc vào cách s ản xuất. Các lỗ xốp có bán kính
15
