Nghiên cứu hiệu quả diệt khuẩn của vật liệu ag tio2 trong điều kiện bóng tối và ứng dụng trong khử trùng nước uống hộ gia đình

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

---------------------

PHAN TRÍ THÀNH

NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ DIỆT KHUẨN CỦA VẬT
LIỆU Ag-TiO2 TRONG ĐIỀU KIỆN BÓNG TỐI VÀ
ỨNG DỤNG TRONG KHỬ TRÙNG NƯỚC UỐNG HỘ
GIA ĐÌNH

CHUN NGÀNH: KỸ THUẬT MƠI TRƯỜNG
MÃ SỐ CHUYÊN NGÀNH: 60520320

TP. HỒ CHÍ MINH – 2014


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG – HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Thế Vinh.........................................
Cán bộ chấm nhận xét 1: .TS. Nguyễn Như Sang..............................................
Cán bộ chấm nhận xét 2: .PGS.TS. Tôn Thất Lãng............................................

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM
ngày . . 23. . . tháng . .12 . . năm . . .2014 . .
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. TS. Nguyễn Như Sang
2. PGS.TS. Tôn Thất Lãng
3. PGS. TS. Nguyễn Tấn Phong

4. TS. Võ Thanh Hằng
5. PGS. TS. Đinh Xuân Thắng
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: ………..PHAN TRÍ THÀNH .........................MSHV: …13250592.......
Ngày, tháng, năm sinh: …………..22/09/1990 .........................Nơi sinh:...Bình Dương ..
Chun ngành: ……………Kỹ thuật mơi trường...................... Mã số : ….60520320.....
I. TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu hiệu quả diệt khuẩn của vật liệu Ag-TiO2 trong điều kiện
bóng tối và ứng dụng trong khử trùng nước uống hộ gia đình.
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
 Điều chế vật liệu Ag-TiO2 (P25) và Ag-TiO2-SiO2 và đánh giá hiệu quả khử trùng
của vật liệu.
 Đánh giá đặc tính hóa lý của vật liệu Ag-TiO2 (P25) và Ag-TiO2-SiO2.
 Thiết kế mơ hình khử trùng nước uống trên cơ sở vật liệu Ag-TiO2-SiO2 và đánh giá
hiệu quả khử trùng của mơ hình.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 7/7/2014
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 10/12/2014
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. Nguyễn Thế Vinh

TS. Trần Tiến Khôi

Tp. HCM, ngày 10 tháng 12 năm 2014
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA….………
(Họ tên và chữ ký)


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành luận văn tốt nghiệp thạc sĩ này, trước hết tôi xin gửi lời biết ơn sâu
sắc đến thầy Nguyễn Thế Vinh và thầy Trần Tiến Khơi đã hết lịng hướng dẫn và giúp
đỡ tơi trong suốt q trình thực hiện luận văn.
Xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô giáo khoa Môi trường - Trường đại học Bách
Khoa TPHCM đã truyền đạt cho tôi những kiến thức quý báu và đã cho tôi một nghề
nghiệp trước khi bước vào xã hội.
Đồng thời, xin gửi lời cảm ơn đến cơ Hồng Thị Tuyết Nhung – Trường đại học Sư
Phạm Kỹ Thuật và các bạn sinh viên hai trường. Những người đã cho tôi những niềm
vui nỗi buồn, những kỷ niệm không bao giờ quên trong suốt quãng thời gian thực hiện
luận văn cũng như những trải nghiệm để tôi trưởng thành hơn.
Cuối cùng tơi cũng gửi lời biết ơn đến gia đình, đã ln ở bên và động viên tơi trong
suốt q trình học tập cũng như trong quá trình thực hiện luận văn này.
Xin chân thành cảm ơn!
TP.Hồ Chí Minh, 10 tháng 12 năm 2014

Phan Trí Thành

i


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

TÓM TẮT LUẬN VĂN
Đề tài nghiên cứu hiệu quả diệt khuẩn của Ag-TiO2 trong điều kiện bóng tối và ứng
dụng trong khử trùng nước uống hộ gia đình định hướng đánh giá hiệu quả xử lý và khả
năng áp dụng vào thực tế.
Kết quả nghiên cứu đã xác định:
Việc đánh giá đặc tính cấu trúc vật liệu được thực hiện bằng các phương pháp đo
TEM, XRD, BET, FT-IR, EDS. Tổng hợp kết quả khảo sát độ tinh thể hố XRD và
diện tích bề mặt riêng BET của các mẫu Ag-TiO2-SiO2 khi thay đổi tỷ lệ Ag, cho thấy
vật liệu được điều chế có đầy đủ các thành phần chính, đường nền của các mẫu khá
bằng phẳng, khơng lẫn pha lạ chứng tỏ vật liệu tổng hợp được có chất lượng tốt. Bên
cạnh đó có thể khẳng định rằng, trong quá trình pha tạp Ag vào hợp chất TiO2-SiO2,
khi tỉ lệ Ag càng lớn sẽ thúc đẩy đến sự hình thành cấu trúc tinh thể nhưng ngược lại
làm giảm diện tích bề mặt riêng của vật liệu.
Kết quả so sánh hiệu quả khử khuẩn của Ag-TiO2 ở các nồng độ Ag khác nhau trong
điều kiện bóng tối cho thấy vật liệu TiO2 (P25) khơng có khả năng khử khuẩn trong
điều kiện bóng tối. Ag-TiO2 10% (P25) cho hiệu quả diệt khuẩn tốt nhất. Khả năng xử
lý diệt khuẩn của Ag-TiO2-SiO2 10% tốt hơn nhiều so với Ag-TiO2 10% (P25).
Thí nghiệm đánh giá đặc tính cộng hưởng của vật liệu Ag-TiO2 có kết quả cho thấy
các loại vật liệu phủ trên hạt sứ monolith cho kết quả xử lý diệt khuẩn khác nhau. Hạt
sứ monolith không phủ vật liệu và hạt sứ phủ TiO2 (P25) khơng có khả năng diệt khuẩn
trong điều kiện bóng tối. AgNO3 phủ lớp phim mỏng trên hạt monolith cho thấy hiệu
quả khử khuẩn cao hơn hạt monolith khơng phủ. Tuy nhiên, khi có sự kết hợp của Ag
với TiO2 được điều chế bằng phương pháp tẩm ướt trước khi phủ lớp phim mỏng lên

hạt monolith, hiệu quả khử khuẩn cao hơn rõ rệt. Điều này chứng tỏ có sự cộng hưởng
giữa Ag và TiO2 không chỉ trong điều kiện ánh sáng mà ngay cả trong bóng tối. Ngồi
ra, khả năng kháng khuẩn của Ag-TiO2 khơng chỉ gây ra do sự phóng thích ion kim loại
gây độc vì lượng Ag+ hịa tan sinh ra từ hạt nano Ag-TiO2 rất ít. Khi AgNO3 và TiO2
(P25) được phủ lớp phim mỏng lên monolith trong điều kiện không có sự gắn kết trước
giữa Ag và TiO2, kết quả cho thấy ở hạt monolith+Ag+TiO2 (P25) khử khuẩn kém hơn
monolith+Ag-TiO2 (P25) nhưng cao hơn Ag và TiO2 riêng lẻ.
Từ kết quả khảo sát mơ hình thực tế cho thấy các tầng lọc của bộ lọc nước hai tầng
(tầng lọc sứ ceramic và tầng lọc than hoạt tính) ngồi thị trường hầu như khơng có khả
năng diệt khuẩn. Khi nước tiếp tục đi qua tầng 3 (tầng lọc với vật liệu khử trùng
monolith+Ag-TiO2-SiO2) của bộ lọc thì vi khuẩn đã được khử hồn tồn 100%. Ngồi
ra, hiệu quả xử lý mơ hình cịn phụ thuộc vào nồng độ các chất ơ nhiễm có mặt trong
nguồn nước đầu vào.
ii


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

ABSTRACT
Research topics bactericidal effect of Ag-TiO2 in the dark and application in
household drinking water disinfection orientated evaluate treatment effectiveness and
applicability in practice.
Results of the study have identified:
The evaluation of structural characteristics of materials is done by the measurement
of TEM, XRD, BET, FT-IR, EDS. Summary of survey parameters of XRD and specific
surface area BET of the Ag-TiO2-SiO2 samples when Ag concentration changed,
indicating the material is fully prepared with the major components, background line
of the sample is relatively flat, and not weird phase composites proved to be of good
quality. Besides can confirm that, during the Ag-doped TiO2-SiO2 compound, the
greater the rate of Ag will promote the formation of the crystal structure whereas

reduced surface area of material.
Results comparing the effects of Ag-TiO2 disinfection in different Ag
concentrations in the dark to find material TiO2 (P25) is not capable of disinfection in
the dark. Ag-TiO2 10% (P25) for best bactericidal effect. Processing capabilities of AgTiO2 antibacterial-SiO2 10% better than 10% Ag-TiO2 (P25).
Evaluations of resonance properties on Ag-TiO2 material results show that the
material coated on the monolith ceramic particles results in handling various
disinfectants. The uncoated monolith particles and monolith beads covered TiO2 (P25)
inability to kill bacteria in the dark. AgNO3 thin film coating on the monolith beads
showed higher effective disinfection than uncoated monolith particles. However, when
a combination of Ag and TiO2 were prepared by wet impregnation method before
coating thin films on particle monolith, effective disinfection significantly higher. This
proves that there is a resonance between Ag and TiO2 not only in terms of light
condition but also in the dark. In addition, the antibacterial ability of Ag-TiO2 is not
only caused by the release of toxic metal ions because of the amount of dissolved Ag+
from Ag-TiO2 nanoparticles is very low. When AgNO3 and TiO2 (P25) thin film coating
on the monolith in the absence of a prior engagement between Ag and TiO2, the results
showed monolith+Ag+TiO2 particles (P25) disinfection less than monolith+Ag-TiO2
(P25) but higher Ag and TiO2 alone.
From the survey results show that realistic models of water filter purifier floor two
floors (floors ceramic filters and activated carbon filter layer) on the market almost no
ability to kill bacteria. As the water continues to go through the 3rd floor (floor filter
sterilized material monolith+Ag-TiO2-SiO2) of the bacterial filter was completely
100% reduction. In addition, efficient processing model depends on the concentration
of pollutants present in the water input.

iii


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

MỤC LỤC

TÓM TẮT LUẬN VĂN ................................................................................................. ii
MỤC LỤC ..................................................................................................................... iv
DANH MỤC HÌNH ..................................................................................................... viii
DANH MỤC BẢNG...................................................................................................... xi
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT .................................................................................... xii
CHƯƠNG 1. MỞ ĐẦU .................................................................................................. 1
1.1. SỰ CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI ...............................................................................1
1.2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU ....................................................................................3
1.3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU .........................................................3
1.3.1. Đối tượng nghiên cứu .................................................................................................. 3
1.3.2. Phạm vi nghiên cứu ...................................................................................................... 3
1.4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ....................................................................................4
1.4.1. Điều chế vật liệu Ag-TiO2 (P25) và Ag-TiO2-SiO2 và đánh giá hiệu quả khử trùng
của vật liệu .................................................................................................................. 4
1.4.2. Đánh giá đặc tính hóa lý của vật liệu Ag-TiO2 (P25) và Ag-TiO2-SiO2 ................ 4
1.4.3. Thiết kế mơ hình và đánh giá hiệu quả khử trùng của mơ hình............................... 4
1.5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...........................................................................5
1.5.1. Phương pháp hồi cứu ................................................................................................... 5
1.5.2. Các phương pháp thí nghiệm và phân tích ................................................................ 5
1.5.3. Phương pháp nghiên cứu mơ hình .............................................................................. 5
1.5.4. Phương pháp xử lý số liệu ........................................................................................... 5
1.6. TÍNH CẤP THIẾT, Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA NGHIÊN CỨU
.........................................................................................................................................6
1.6.1. Tính cấp thiết của đề tài ............................................................................................... 6
1.6.2. Ý nghĩa khoa học của đề tài......................................................................................... 6
iv

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

1.6.3. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài ......................................................................................... 6
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN .......................................................................................... 7
2.1. TỔNG QUAN VẬT LIỆU TiO2 ..............................................................................7
2.1.1. Giới thiệu một số tính chất của vật liệu TiO2............................................................. 7
2.1.2. Cơ sở lý thuyết về quá trình quang xúc tác trên TiO2 ............................................. 10
2.1.3. Các phương pháp điều chế vật liệu TiO2 ................................................................. 13
2.2. GIỚI THIỆU MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA KIM LOẠI BẠC [13] ........................16
2.2.1. Giới thiệu một số tính chất của kim loại bạc ........................................................... 16
2.2.2. Hạt nano bạc................................................................................................................ 17
2.3. QUÁ TRÌNH KHỬ TRÙNG ..................................................................................19
2.3.1. Khái quát về các vi sinh vật có trong nguồn nước .................................................. 19
2.3.2. Khuynh hướng khử trùng trong tương lai ................................................................ 19
2.3.3. Vi khuẩn Eschocia coli .............................................................................................. 22
2.3.4. Cơ chế tiêu diệt tế bào vi sinh vật của chất xúc tác quang TiO2 ............................ 24
2.4. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU Ag-TiO2............................................26
2.4.1. Tình hình nghiên cứu về vật liệu TiO2 biến tính bằng nguyên tố kim loại và phi kim
.................................................................................................................................... 26
2.4.2. Tình hình nghiên cứu về vật liệu TiO2 pha tạp Ag đến hiệu quả diệt khuẩn........ 27
2.4.3. Cơ chế khử khuẩn của Ag-TiO2................................................................................ 30
2.4.4. Các nghiên cứu trong nước........................................................................................ 30
2.5. MỘT SỐ MƠ HÌNH LỌC NƯỚC, KHỬ TRÙNG NƯỚC UỐNG HỘ GIA ĐÌNH32
2.5.1. Một số phương pháp xử lý nước uống đang được áp dụng hiện nay.................... 32
2.5.2. Một số hệ thống xử lý nước uống điển hình cho người dân nghèo vùng nơng thơn42
CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM .............................................. 47
3.1. THÍ NGHIỆM ĐIỀU CHẾ VẬT LIỆU Ag-TiO2 ..................................................47
3.1.1. Điều chế Ag-TiO2 từ TiO2 thương mại .................................................................... 47
3.1.2. Điều chế Sol-gel Ag-TiO2 từ Titanium (IV) isopropoxide (TTIP) ....................... 47

v


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

3.2. THÍ NGHIỆM TẠO LỚP PHIM MỎNG TRÊN CƠ SỞ VẬT LIỆU AG-TIO2 LÊN
HẠT SỨ BẰNG PHƯƠNG PHÁP NHÚNG ................................................................51
3.3. THÍ NGHIỆM ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ KHỬ KHUẨN CỦA VẬT LIỆU AG-TIO2 Ở
DẠNG BỘT Ở ĐIỀU KIỆN BĨNG TỐI ......................................................................52
3.3.1. Điều kiện vận hành của mơ hình............................................................................... 52
3.3.2. Lấy mẫu ....................................................................................................................... 53
3.4. THÍ NGHIỆM ĐÁNH GIÁ TÍNH CỘNG HƯỞNG CỦA VẬT LIỆU AG-TIO2 ...53
3.4.1. Điều kiện vận hành mơ hình...................................................................................... 53
3.4.2. Lấy mẫu ....................................................................................................................... 54
3.5. NGHIÊN CỨU MƠ HÌNH KHỬ TRÙNG NƯỚC BẰNG VẬT LIỆU Ag-TiO2 54
3.6. CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH .....................................................................56
3.6.1. Các phương pháp pháp phân tích đặc tính cấu trúc của vật liệu Ag-TiO2............ 56
3.6.2. Phương pháp phân tích E.Coli trong nước............................................................... 56
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN .................................................................. 60
4.1. ĐÁNH GIÁ ĐẶC TÍNH CẤU TRÚC CỦA VẬT LIỆU Ag-TiO2 .......................60
4.1.1. Đánh giá kích thước hạt Ag-TiO2 qua ảnh chụp vi hình thái TEM ...................... 60
4.1.2. Đánh giá sự biến đổi diện tích bề mặt riêng BET ................................................... 61
4.1.3. Đánh giá sự biến đổi độ tinh thể hóa ........................................................................ 62
4.1.4. Đánh giá đặc điểm hóa học thơng qua phổ hồng ngoại FT-IR .............................. 64
4.1.5. Đánh giá thành phần hóa học của vật liệu thông qua phổ tán xạ năng lượng EDS65
4.1.6. Xác định điểm đẳng điện PZC .................................................................................. 65
4.2. ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ XỬ LÝ DIỆT KHUẨN CỦA CÁC MẪU VẬT LIỆU
TRÊN CƠ SỞ Ag-TiO2 ................................................................................................67
4.2.1. Đánh giá hiệu quả diệt khuẩn của vật liệu Ag-TiO2 ở dạng bột ............................ 67
4.2.2. Đánh giá đặc tính cộng hưởng của vật liệu Ag-TiO2.............................................. 72

4.2.3. Đánh giá hiệu quả diệt khuẩn của vật liệu Ag-TiO2-SiO2 ở dạng lớp phim mỏng phủ
lên chất mang (hạt sứ monolith) ............................................................................. 74
4.3. ĐÁNH GIÁ ĐẶC ĐIỂM LỚP PHIM MỎNG VẬT LIỆU Ag-TiO2-SiO2 PHỦ LÊN
CHẤT MANG ..............................................................................................................78
vi


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

4.3.1. Khảo sát khối lượng vật liệu phủ trên chất mang .................................................... 78
4.3.2. Mức độ bám dính và độ bền của lớp phim mỏng chứa vật liệu Ag-TiO2 phủ trên bề
mặt hạt sứ .................................................................................................................. 79
4.4. ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ XỬ LÝ TRÊN MƠ HÌNH LỌC 3 TẦNG KHỬ TRÙNG
NƯỚC BẰNG VẬT LIỆU Ag-TiO2-SiO2 ...................................................................82
4.4.1. Tính tốn thiết kế mơ hình ......................................................................................... 82
4.4.2. Đánh giá hiệu quả xử lý của mơ hình ....................................................................... 84
4.4.3. Đánh giá tính kinh tế và khả năng áp dụng của mơ hình........................................ 87
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................ 89
5.1. KẾT LUẬN ............................................................................................................89
5.2. KIẾN NGHỊ ...........................................................................................................90
DANH MỤC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ .................................................................... 92
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 93
TĨM TẮT LÝ LỊCH TRÍCH NGANG ........................................................................ 98

vii


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1. Cấu trúc tinh thể pha Rutile .................................................................7
Hình 2.2. Cấu trúc tinh thể pha Anatase ...................................................................8
Hình 2.3. Cấu trúc tinh thể pha Brookite..................................................................8
Hình 2.4. Cơ chế quá trình xúc tác quang trên vật liệu bán dẫn ..........................11
Hình 2.5. Giản đồ năng lượng obitan liên kết của TiO2 trong anatase ...............12
Hình 2.6. Thể nhân trong tế bào vi khuẩn E.coli...................................................24
Hình 2.7. Khả năng lọc của màng Nano so với các màng khác ..........................35
Hình 2.8. Cách bố trí các cơng đoạn cơ bản của cơng nghệ Nano VAST .........37
Hình 2.9. Cấu tạo màng RO .....................................................................................38
Hình 2.10. Cơ chế lọc nước bằng thiết bị NLMT Carocell ..................................40
Hình 2.11. Mơ hình lọc nước gốm Ceramic của RDIC ........................................43
Hình 2.12. Kích thước đường ống và thiết kế mơ hình của hệ thống ................44
Hình 2.13. Cấu tạo bình lọc nước hai tầng .............................................................45
Hình 2.14. Bình lọc sứ Thiên Thanh .......................................................................46
Hình 2.15. Cấu tạo bình lọc sứ Thiên Thanh .........................................................46
Hình 3.1. Quy trình thí nghiệm điều chế Ag-TiO2 từ TiO2 thương mại .............47
Hình 3.2. Quy trình thí nghiệm điều chế Sol-gel Ag-TiO2 từ TTIP ...................49
Hình 3.3. Mơ hình điều chế vật liệu Ag-TiO2 bằng phương pháp sol-gel .........50
Hình 3.4. Mơ hình bột trong điều kiện bóng tối ....................................................52
Hình 3.5. Đánh giá tính cộng hưởng của vật liệu Ag-TiO2..................................53
Hình 3.6. Mơ hình đánh giá tính cộng hưởng của Ag-TiO2 .................................54
Hình 3.7. Mơ hình lọc nước ba tầng .......................................................................55
Hình 3.8. Thiết lập dụng cụ lọc ...............................................................................58
Hình 3.9. Lọc mẫu qua bộ lọc ..................................................................................58
Hình 3.10. Chuyển giấy lọc sang đĩa Petri .............................................................59
viii


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Hình 3.11. Cho giấy lọc lên đĩa Petri ......................................................................59
Hình 4.1. Ảnh chụp TEM của mẫu Ag-TiO2 được điều chế từ TiO2 thương mại
(P25) ............................................................................................................................60
Hình 4.2. Ảnh chụp TEM của mẫu Ag-TiO2 được điều chế từ TTIP bằng
phương pháp Sol-gel .................................................................................................60
Hình 4.3. Giản đồ XRD của mẫu vật liệu TiO2-SiO2 ...........................................62
Hình 4.4. Giản đồ XRD của mẫu vật liệu Ag-TiO2-SiO2 1% ..............................62
Hình 4.5. Giản đồ XRD của mẫu vật liệu Ag-TiO2-SiO2 10% ............................63
Hình 4.6. Giản đồ XRD so sánh của ba mẫu vật liệu TiO2-SiO2, Ag-TiO2-SiO2
1% và Ag-TiO2-SiO2 10% ........................................................................................63
Hình 4.7. Phổ hồng ngoại (IR) của vật liệu Ag-TiO2-SiO2 1% và Ag-TiO2-SiO2
10%..............................................................................................................................64
Hình 4.8. Phổ tán xạ năng lượng EDS của vật liệu Ag-TiO2-SiO2 10% ............65
Hình 4.9. Sự phụ thuộc pHf vào pHi khi cân bằng được thiết lập trên các hạt
Ag-TiO2-SiO2 10% với dung dịch NaCl 0.01M ....................................................66
Hình 4.10. Hiệu quả diệt khuẩn Ag-TiO2 (P25) ở các nồng độ Ag khác nhau
trong điều kiện bóng tối ............................................................................................67
Hình 4.11. Hiệu quả diệt khuẩn Ag-TiO2 10% (P25) ở các hàm hượng khác
nhau trong điều kiện bóng tối ..................................................................................68
Hình 4.12. Hiệu quả diệt khuẩn Ag-TiO2-SiO2 10% ở các hàm hượng khác nhau
trong điều kiện bóng tối ............................................................................................69
Hình 4.13. Hiệu quả diệt khuẩn Ag-TiO2-SiO2 10% ở các nồng độ E.Coli đầu
vào khác nhau trong điều kiện bóng tối ..................................................................70
Hình 4.14: Hiệu quả diệt khuẩn của vật liệu Ag-TiO2-SiO2 10% khi thay đổi pH
......................................................................................................................................71

Hình 4.15. Đánh giá đặc tính cộng hưởng của vật liệu Ag-TiO2 ........................72
Hình 4.16. Hạt monolith được phủ vật liệu ............................................................72
Hình 4.17. Mơ hình đánh giá hiệu quả diệt khuẩn của vật liệu Ag-TiO2-SiO2 ở
dạng lớp phim mỏng phủ lên chất mang (hạt sứ monolith) .................................74

Hình 4.18. Khảo sát thời gian lưu tối ưu trên cột Monolith+Ag-TiO2-SiO2......74
ix


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Hình 4.19. Khảo sát hiệu suất xử lý trên cột monolith+Ag-TiO2-SiO2 với thời
gian lưu 20 phút .........................................................................................................75
Hình 4.20. Mối liên hệ giữa nồng độ E.Coli đầu vào và hiệu quả diệt khuẩn của
cột Monolith+Ag-TiO2-SiO2 ....................................................................................75
Hình 4.21. Mối quan hệ sự thay đổi pH đầu vào và hiệu quả diệt khuẩn ..........76
Hình 4.22. Đánh giá lượng Ag+ phóng thích ra mơi trường nước trong q trình
thí nghiệm trên cột Monolith+Ag-TiO2-SiO2 ........................................................77
Hình 4.23. Hạt sứ monolith trước (a) và sau (b) khi phủ vật liệu Ag-TiO2-SiO2..
......................................................................................................................................78

Hình 4.24. Hình ảnh cắt dọc tầng lọc khử trùng Monolith + Ag-TiO2-SiO2 .....82
Hình 4.25. Hình ảnh bình lọc nước 3 tầng trong thực tế và trong thiết kế .........84
Hình 4.26. Hình mặt cắt bộ lọc 3 tầng ....................................................................85
Hình 4.27. Đánh giá hiệu quả diệt khuẩn của bộ lọc 3 tầng khi thay đổi nồng độ
vi khuẩn đầu vào và khảo sát qua từng tầng lọc ....................................................85
Hình 4.28. Đánh giá hiệu quả diệt khuẩn của bộ lọc 3 tầng với nguồn nước
ngầm ............................................................................................................................86

x


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1. Một số tính chất vật lý của TiO2 dạng anatase và rutile ......................8
Bảng 1.2. Một số tính chất vật lý của Bạc.............................................................16
Bảng 1.3: Khả năng oxy hóa của một số tác nhân oxy hóa..................................21
Bảng 1.4: Thành phần cấu tạo thành tế bào của vi khuẩn ....................................23
Bảng 1.5. Đặc tính của vật liệu hấp phụ NC-MF và NC-F20 ..............................37
Bảng 1.6. Ưu điểm và nhược điểm của các phương pháp xử lý nước uống ......40
Bảng 2.1. Các hóa chất sử dụng trong điều chế Ag-TiO2 từ AgNO3 và TTIP
(Tetra Isopropyl Titanate) bằng phương pháp sol gel...........................................47
Bảng 2.2. Dụng cụ điều chế vật liệu Ag-TiO2 .......................................................48
Bảng 2.3. Thành phần môi trường nuôi cấy TSA và TSB ...................................57
Bảng 3.1. Diện tích bề mặt riêng BET của Ag-TiO2 điều chế từ TiO2 thương
mại (P25) và Ag-TiO2-SiO2 điều chế bằng phương pháp sol-gel .......................61
Bảng 3.2. Khối lượng Ag-TiO2-SiO2 bám trêm bề mặt hạt sứ monolith ............79
Bảng 3.3. Độ thất thoát khối lượng vật liệu Ag-TiO2 bám trên hạt sứ ...............80
Bảng 3.4. Thông số bộ lọc vật liệu Monolith+Ag-TiO2-SiO2 .............................83
Bảng 3.5. Các thơng số kích thước của mơ hình lọc 3 tầng .................................87
Bảng 3.6. Chi phí sản xuất mơ hình ........................................................................87

xi


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
AOPs (Advanced Oxidation Processes)

Q trình oxy hóa nâng cao

BTNMT

Bộ Tài Ngun Mơi Trường

HRT (Hydraulic Retention Time)

Thời gian lưu nước

NOM (Natural organic matter)

Hợp chất hữu cơ tự nhiên

PZC (point of zero charge)

Điểm đẳng điện

QCVN

Quy chuẩn Việt Nam

SS (Suspended Solid)

Chất rắn lơ lửng

TP. HCM

Thành phố Hồ Chí Minh

UVC

Tia tử ngoại UV-C

USEPA (United State Environmental

Cơ quan Bảo vệ môi trường Mỹ

Protection Agency)
THM

Trihalomethane

WHO (World Health Organization)

Tổ chức y tế thế giới

UNICEF (The United Nations

Quỹ Nhi đồng Liên Hiệp Quốc

Children's Fund)
ROS (Reactive oxygen species)

Gốc oxygen phản ứng

SODIS

Mơ hình khử trùng bằng ánh sáng

TTIP

Tetra Isopropyl Titanate

TEM

Transmission Electron Microscopy

SEM

Scanning Electron Microscopy

XRD

X-ray diffraction

BET

Brunauer, Emmett và Teller

FT-IR

Infrared spectroscopy

TSA

Tryptic Soy Agar

TSB

Tryptic Soy Broth

xii

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

CHƯƠNG 1. MỞ ĐẦU
1.1. SỰ CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Dân số thế giới đang không ngừng gia tăng, và hiện nay chúng ta đang đối mặt với
một vấn đề nghiêm trọng: tài nguyên nước sạch ngày càng khan hiếm, nguồn tài nguyên
này có thể sớm trở thành một thứ xa xỉ. Nước giữ một vai trò đặc biệt trong đời sống
sinh tồn và phát triển của con người. Nước sạch là sự sống, con người, động, thực vật
sẽ không tồn tại nếu thiếu nước. Nước uống an toàn và vệ sinh là những yếu tố quyết
định để giảm nghèo, để phát triển bền vững.
Nước quan trọng là vậy, nhưng hiện nay, thế giới vẫn phải đang phải đối mặt với
nguy cơ thiếu nước sạch và nguồn nước bị ơ nhiễm trầm trọng. Tình trạng ơ nhiễm
nguồn nước, thiếu nước sạch sinh hoạt làm tăng nguy cơ mắc các bệnh đường ruột,
bệnh ngoài da và một số căn bệnh khác. Trung bình có khoảng 2,2 triệu trẻ em bị chết
do bệnh tiêu chảy mỗi năm. Theo ước tính của WHO, cho tới nay có khoảng 130 triệu
người đang phải đối mặt với việc dùng nước bị nhiễm arsenic với nồng độ cao hơn nồng
độ cho phép là 10 µg/lít [1]. Vì vậy, vai trị của nước sạch với đời sống quan trọng và
cần thiết hơn bao giờ hết. Tại Việt Nam, theo báo cáo của UNICEF, ước tính mỗi năm
có khoảng 20.000 người chết do dùng nước bị ô nhiễm; khoảng 1.100 trẻ em dưới 5
tuổi tử vong vì bị tiêu chảy. Trong khi đó, 44% trẻ em bị nhiễm giun tóc, giun móc,
giun kim...[2]
Ở các nước đang phát triển, dịch bệnh lan truyền qua đường nước là mối đe dọa
nghiêm trọng đối với sức khỏe cộng đồng. Dịch tả gây ra do vi khuẩn Vibrio cholera
vẫn đang là mối đe dọa cho hơn 80 nước trên toàn thế giới.[3]
Một lý do giải thích cho vấn đề xã hội nổi bật này là do việc xây dựng các hệ thống
xử lý nước cấp ở các nước đang phát triển cịn gặp nhiều khó khăn và hạn chế. Do đó
mà người dân buộc phải sử dụng các nguồn nước không sạch, dẫn đến việc mắc các
bệnh nguy hiểm lây qua đường nước. Trong hồn cảnh đó, vấn đề xử lý nước và cung
cấp nước sạch, chống ô nhiễm nguồn nướcdo tác động của nước thải sinh hoạt đang là

vấn đề được quan tâm đặc biệt bởi nhiều nhà khoa học và quản lý trên thế giới, đặc biệt
là ở các nước đang phát triển như nước ta.
Một trong những vấn đề quan trọng trong xử lý nước cấp là loại bỏ các sản phẩm
phụ trong quá trình khử trùng và loại bỏ những vi khuẩn, kén nhộng bền vững.
Nước trong tự nhiên, ngồi các chất hữu cơ khó phân hủy, có độc tính, ln tồn tại
các chất hữu cơ tự nhiên (NOM – Natural Organic Matter) như các acid humic, acid
hữu cơ hòa tan, protein, lipid, hydrocarbon, amino acid. Các thành phần này có mặt
1


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

trong nguồn nước thiên nhiên thay đổi theo từng nguồn nước, theo vùng lãnh thổ, theo
từng mùa. Những chất hữu cơ thiên nhiên này sẽ kết hợp với chlor trong quá trình xử
lý nguồn nước mặt hạy nước ngầm để sản xuất nước sạch cho sinh hoạt và các nhu cầu
khác của đời sống. Kết quả là bên cạnh nhu cầu nước sạch đáp ứng nhu cầu đời sống
thỏa mãn tiêu chuẩn nước cho sinh hoạt, còn có các sản phẩm phụ khác, chủ yếu là các
chất hữu cơ chứa chlor, như trihalomethane (THM), bao gồm trichloromethane
(chloroform), dibromochloromethane, bromodichloromethane và tribromomethane
(bromoform). [4]
Những hợp chất này, đặc biệt là chloroform, khi vào cơ thể sẽ gây các tổn hại đến
gan, thận và đã được chứng mình là có liên quan đến nguyên nhân gây ung thư (thuộc
nhóm B trong các chất gây ung thư). Vì thế, để tránh nguy hiểm cho sức khỏe người
dùng nước, gần đây, nhiều quốc gia trên thế giới đã đưa ra quy định kiểm soát lượng
THM và lượng HAA (haloacetic acid) trong nước uống, nước sinh hoạt, nước hồ bơi,
quy định hàm lượng của chúng phải dưới 100 µg/L [5]. Điều này buộc phải hạn chế
chlor trong xử lý nước thiên nhiên cũng như trong công nghệ xử lý truyền thống, cần
phải đưa thêm giai đoạn phân hủy các NOMs trước khi châm chlor để khử trùng.
Mặt khác, các nhà khoa học đã phát hiện nguyên nhân các trận dịch lớn trên thế giới
là do các kén Giardia và các Cryptosporodium vần tồn tại trong nước sau khi khử trùng

bằng chlor. Phát hiện đó là cơng nghệ khử trùng bằng chlor phải được xem xét lại và
tìm cách thay thế bằng các cơng nghệ khác, mạnh hơn, an tồn hơn.
Trong hồn cảnh đó, các nhà khoa học tìm cách phát triển và đưa vào ứng dụng các
giải pháp kỹ thuật khác thay thế cho q trình chlorine hóa trong khử trùng nguồn nước
cấp. Các biện pháp oxy hóa bậc cao (Advanced oxidation processes – AOPs) được xem
là giải pháp thay thế hữu hiệu, trong đó phải nhắc đến chất xúc tác quang TiO2 được
xem là một trong những biện pháp oxy hóa bậc cao có nhiều ưu điểm vượt trội, khơng
sinh ra các sản phẩm phụ gây hại cho sức khỏe, bền hóa học, không độc, được sử dụng
trong các phương pháp xử lý mơi trường như thanh lọc nước, khơng khí và khử trùng.
Tuy nhiên, đặc tính quang xúc tác chỉ xảy ra khi chiếu xạ ánh sáng trong vùng tử ngoại
và cặp điện tử - lỗ trống hình thành sẽ nhanh chóng tái hợp trong nano giây. Bạc là một
nguyên tố thích hợp cải thiện hoạt tính sinh học của TiO2 nhờ vào khả năng kháng
khuẩn bẩm sinh của nó. Sự biến đổi bề mặt TiO2 với kim loại Ag được chứng minh là
một kỹ thuật hiệu quả để giảm sự kết hợp điện tử - lổ trống và tăng cường hoạt tính diệt
khuẩn của TiO2. [6]
Nhiều kết quả nghiên cứu mới đây đã chứng tỏ nano bạc đóng vai trị quan trọng
giúp tăng cường hiệu quả diệt khuẩn của vật liệu TiO2 [7-10]. Sự ức chế phát triển của
vi khuẩn ở nồng độ bạc thấp và sự phân bố tốt của nano Ag trên nền TiO2 chứng tỏ
2


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

TiO2 là chất nền thích hợp đối với tác nhân chống khuẩn Ag-TiO2. Khi hoạt hóa bằng
tia UV, hạt Ag-TiO2 có hoạt tính mạnh hơn hẳn so với một mình tia UV, UV/Ag, hoặc
UV/TiO2. Đặc biệt trong điều kiện khơng có ánh sáng Ag-TiO2 có hoạt tính kháng
khuẩn mạnh hơn hẳn so với TiO2 hoặc Ag riêng lẻ điều này cho thấy vật liệu Ag-TiO2
có một cơ chế tự động diệt khuẩn mà không liên quan đến quang xúc tác. Việc dùng
UV làm tăng kích thướt thiết bị và năng lượng tiêu thụ. Ngoài ra, lượng ion Ag+ hịa
tan trong Ag-TiO2 ít hơn so với hạt nano Ag cho thấy khả năng diệt khuẩn của Ag-TiO2

khơng hồn tồn do sự giải phóng các ion kim loại độc mà cịn điều gì khác [11]. AgTiO2 trở thành đối tượng nghiên cứu cơ bản hết sức thú vị và phức tạp, là vật liệu đầy
tiềm năng ứng dụng trong y sinh học và xử lý môi trường.
Kết quả từ những từ những nghiên cứu này đã mở ra một hướng đi mới cho quá
trình khử trùng trong các hệ thống xử lý nước hiện nay. Tuy nhiên, việc ứng dụng các
kết quả này chỉ đang dừng lại ở mức độ nghiên cứu và thử nghiệm ở một số nơi trên
thế giới. Đối với nước ta, việc sử dụng chất xúc tác quang TiO2 như một chất khử trùng
có hiệu quả cao và thân thiện với môi trường vẫn chưa nhận được nhiều sự quan tâm.
Việc nghiên cứu chế tạo và thử nghiệm trên cơ sở vật liệu Ag-TiO2 sẽ cho thấy rõ
hơn nữa hiệu quả khử trùng của vật liệu này ngay cả trong điều kiện bóng tối, cần xác
định một cách chi tiết hơn đặc tính cộng hưởng của Ag khi kết hợp với TiO2 so với
AgNO3 và TiO2 riêng rẻ trong điều kiện bóng tối.
1.2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
- Nghiên cứu hiệu quả diệt khuẩn của Ag-TiO2 trong điều kiện bóng tối.
- Nghiên cứu mơ hình khử trùng nước bằng vật liệu Ag-TiO2 trong điều kiện bóng
tối.
1.3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
1.3.1. Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của luận văn bao gồm:
Ag-TiO2 (P25): Là vật liệu Ag-TiO2 được điều chế bằng phương pháp tạo dung dịch
Ag-TiO2 từ TiO2 thương mại (P25 Degussa và PEG 15%) và AgNO3.
Ag-TiO2-SiO2: Là vật liệu Ag-TiO2 được điều chế bằng phương pháp tạo Sol-gel
Ag-TiO2-SiO2 từ TTIP (titanium (IV) isopropoxide – tiền chất cơ kim của TiO2), TEOS
(tetraethyl orthorsilicat – tiền chất cơ kim của SiO2) và AgNO3.
Nước giả lập chứa chủng chuẩn quốc tế E.Coli ATCC 25922.
1.3.2. Phạm vi nghiên cứu
Đối với nghiên cứu các đặc trưng cấu trúc của vật liệu chứa thành phần chính AgTiO2 ở dạng Sol-gel, các nghiên cứu thuộc phạm vi nghiên cứu bao gồm:
3


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

 Xác định diện tích bề mặt riêng (SBET)
 Độ tinh thể hóa (XRD)
 Hình thái bề mặt vật liệu nano (TEM)
 Phổ hấp thụ ánh sáng tử ngoại – khả kiến (UV-Vis) và năng lượng miền cấm
 Quang phổ hồng ngoại (FT-IR)
Đối với quá trình phủ lớp phim mỏng chứa thành phần chính Ag-TiO2 trên chất
mang có các thơng số thuộc phạm vi nghiên cứu:
 Hình thái bề mặt
 Độ tổn thất vật liệu
Đối với quá trình khử khuẩn của vật liệu Ag-TiO2 được điều chế ở dạng bột và dạng
lớp phim mỏng phủ lên chất mang trên thí nghiệm xử lý E.Coli trong điều kiện bóng
tối:
 Hiệu quả xử lý E.Coli theo thời gian
1.4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
1.4.1. Điều chế vật liệu Ag-TiO2 (P25) và Ag-TiO2-SiO2 và đánh giá hiệu
quả khử trùng của vật liệu
- Điều chế vật liệu Ag-TiO2 (P25) bằng phương pháp tẩm từ TiO2 thương mại (P25).
- Tối ưu tỉ lệ Ag:TiO2 bằng hiệu quả khử trùng với vật liệu Ag-TiO2(P25) trong điều
kiện bóng tối.
- Điều chế vật liệu Ag-TiO2-SiO2 bằng phương pháp solgel với tỉ lệ Ag:TiO2 tối ưu.
- Đánh giá hàm lượng xúc tác tối ưu trong điều kiện bóng tối.
- Đánh giá ảnh hưởng của pH đối với hiệu quả khử trùng trong điều kiện bóng tối.
- Đánh giá ảnh hưởng của nồng độ E.Coli đầu vào tới hiệu quả khử trùng trong điều
kiện bóng tối.
- So sánh hiệu quả khử trùng giữa phương pháp tẩm và phương pháp solgel.
1.4.2. Đánh giá đặc tính hóa lý của vật liệu Ag-TiO2 (P25) và Ag-TiO2-SiO2
- So sánh diện tích bề mặt riêng của việc có và khơng có Si, Ag với vật liệu AgTiO2.
- Đánh giá độ tinh thể hóa của vật liệu Ag-TiO2(P25) và Ag-TiO2-SiO2.
- So sánh kích thướt hạt và hình thái hạt.

- Đánh giá đặc tính bề mặt của lớp phim mỏng.
- Đánh giá đặc tính cộng hưởng của vật liệu Ag-TiO2
1.4.3. Thiết kế mơ hình và đánh giá hiệu quả khử trùng của mơ hình
Thiết kế mơ hình khử trùng trong điều kiện bóng tối và đánh giá hiệu quả khử trùng:
- Thiết kế mơ hình.
4


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

- Tối ưu lưu lượng vận hành mơ hình.
- Khảo sát sự thay đổi nồng độ E.Coli đầu vào, pH.
- Khảo sát lượng Ag+ phóng thích.
- Đánh giá hiệu quả khử trùng với nước giếng.
1.5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
1.5.1. Phương pháp hồi cứu
Trong quá trình thực hiện đề tài, tiến hành thu thập, sưu tầm các thông tin, tài liệu,
số liệu về đối tượng nghiên cứu trên tất cả các nguồn như: sách báo, giáo trình, tạp chí,
internet,… Những tài liệu, số liệu này sẽ được lựa chọn, phân tích, tổng hợp làm cơ sở
cho việc định hướng và thực hiện nghiên cứu.
1.5.2. Các phương pháp thí nghiệm và phân tích
Các phương pháp thí nghiệm được áp dụng bao gồm:
 Phương pháp điều chế dung dịch nhũ tương chứa thành phần chính Ag-TiO2.
 Phương pháp phủ lớp phim mỏng chứa thành phần chính Ag-TiO2 trên chất
mang (hạt sứ).
Các phương pháp phân tích được sử dụng bao gồm:
 Các phương pháp phân tích tính chất hóa lý của lớp phim mỏng Ag-TiO2 trên
hạt sứ: Xác định diện tích bề mặt riêng (SBET), độ tinh thể hóa (XRD), hình
thái bề mặt vật liệu nano (TEM), phổ hấp thụ ánh sáng tử ngoại – khả kiến
(UV-Vis) và năng lượng miền cấm, quang phổ hồng ngoại (FT-IR).

 Các phương pháp phân tích chỉ tiêu E.Coli trong nước.
1.5.3. Phương pháp nghiên cứu mơ hình
Thiết kế, chế tạo và ứng dụng các mơ hình ở quy mơ phịng thí nghiệm (lab-scale)
để nghiên cứu hiệu quả xử lý E.Coli trong nước thông qua quá trình xúc tác bằng vật
liệu Ag-TiO2 dạng bột và dạng phủ trên hạt sứ.
Thiết lập và vận hành mơ hình khử trùng nước dựa trên các thông số tối ưu vật liệu
Ag-TiO2 ứng dụng ở quy mơ hộ gia đình hiệu suất 8 lít/ngày.
1.5.4. Phương pháp xử lý số liệu
Sử dụng các phương pháp quy hoạch thực nghiệm để phân tích và tối ưu hóa q
trình thí nghiệm. Đồng thời sử dụng các phương pháp thống kê toán học để xử lý số
liệu nghiên cứu.

5


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

1.6. TÍNH CẤP THIẾT, Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA
NGHIÊN CỨU
1.6.1. Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay, tại Việt Nam, các cơng trình nghiên cứu về TiO2 nói chung và Ag-TiO2
nói riêng chỉ ở giai đoạn bước đầu, còn rất hạn chế về số lượng và khả năng áp dụng
vào thực tế. Chính vì vậy, việc lựa chọn hướng nghiên cứu của đề tài là cần thiết.
Khi đề tài được tiến hành, việc đi vào nghiên cứu khả năng diệt khuẩn của Ag-TiO2
sẽ được tiến hành một cách có hệ thống hơn, từ điều chế vật liệu Ag-TiO2 dạng bột và
dạng sol-gel đến quá trình ứng dụng chúng trong việc khử trùng nước. Và đây cũng
chính là yếu tố mới của đề tài so với nhiều nghiên cứu khác trong và ngoài nước.
1.6.2. Ý nghĩa khoa học của đề tài
Đánh giá được hiệu quả diệt khuẩn của vật liệu Ag-TiO2 trong điều kiện bóng tối.
Đánh giá được tính cộng hưởng của vật liệu Ag-TiO2 một cách chi tiết, rõ ràng hơn.

Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ là nền tảng khoa học cho q trình nghiên cứu cũng
như thương mại hóa loại hệ thống khử trùng này ở Việt Nam trong tương lai.
1.6.3. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Khi đề tài đạt được những mục tiêu đề ra, khả năng ứng dụng của hệ thống lọc kết
hợp với vật liệu Ag-TiO2 vào thực tiễn là rất lớn. Kết quả nghiên cứu của đề tài góp
phần:
 Ứng dụng vào thực tiễn sản xuất các sản phẩm vật liệu TiO2 ở quy mô công
nghiệp.
 Việc nghiên cứu chế tạo và thử nghiệm trên cơ sở vật liệu quang xúc tác TiO2
với điều kiện của nước ta hiện nay không những cung cấp thêm lựa chọn về
chất khử trùng cho người sử dụng mà còn mở ra hướng ứng dụng mới về chất
khử trùng trong các lĩnh vực khác như quá trình xử lý nước, q trình xử lý
khí, cơng nghiệp sơn, cơng nghiệp thực phẩm, pin mặt trời,… nhằm đưa chất
xúc tác quang rộng rãi vào thực tế cuộc sống.
Xử lý môi trường là lĩnh vực ứng dụng ưu tiên của sản phẩm nghiên cứu trong đề
tài, nên việc tăng hiệu suất khử trùng, tiết kiệm nguồn điện năng đồng thời làm giảm
chi phí xử lý mơi trường. Chính những điều này làm cho môi trường sống ngày càng
tốt hơn.

6


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN
2.1. TỔNG QUAN VẬT LIỆU TiO2

2.1.1. Giới thiệu một số tính chất của vật liệu TiO2
Hợp chất TiO2 ngày càng đóng vai trị quan trọng trong đời sống và sản xuất. Nó
được sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau, từ việc tạo màu trong sơn, mỹ phẩm

cho đến ngành thực phẩm. Đặc biệt trong vài thập kỷ gần đây người ta nghiên cứu mạnh
mẽ về khả năng xúc tác quang của TiO2 ứng dụng trong lĩnh vực xử lý môi trường.
TiO2 là chất bán dẫn tồn tại ở 3 dạng cơ bản sau: Rutile, Anatase và Brookite.
Rutile: là trạng thái tinh thể bền của TiO2, pha rutile có mức năng lượng miền cấm
là 3,02 eV. Rutile là pha có độ xếp chặt cao nhất so với 2 pha còn lại, khối lượng riêng
4,2 g/cm3. Rutile có kiểu mạng Bravais tứ phương với các hình bát diện xếp tiếp xúc
nhau ở các đỉnh Hình 2.1).

Hình 2.1. Cấu trúc tinh thể pha Rutile.
Anatase: là pha có hoạt tính quang hố mạnh nhất trong 3 pha. Anatase có năng
lượng miền cấm là 3,23 eV và khối lượng riêng 3,9 g/cm3. Anatase cũng có kiểu mạng
Bravais tứ phương như rutile nhưng các hình bát diện xếp tiếp xúc cạnh với nhau và
trục c của tinh thể bị kéo dài (Hình 2.2).
TiO2 dạng anatase có thể chuyển hoá thành TiO2 dạng rutile ở các điều kiện nhiệt
độ phản ứng thích hợp. Tuy nhiên, theo các nghiên cứu của Levin và McMurdie [4], có
thể chuyển hố TiO2 dạng anatase sang dạng rutile trong khoảng nhiệt độ từ 4001000oC; tuỳ thuộc vào điều kiện và thiết bị phản ứng.

7


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Hình 2.2. Cấu trúc tinh thể pha Anatase.
Brookite: có hoạt tính quang hố rất yếu. Brookite có mức năng lượng miền cấm là
3,4 eV, khối lượng riêng 4,1 g/cm3 (Hình 2.3).

Hình 2.3. Cấu trúc tinh thể pha Brookite.
Trong thực tế, pha tinh thể brookite của TiO2 rất ít gặp nền thường ít được đề cập
trong các nghiên cứu và ứng dụng.
Bảng 1.1. Một số tính chất vật lý của TiO2 dạng anatase và rutile

STT

Tính chất vật lý

Anatase

Rutile

1

Cấu trúc tinh thể

Tứ phương

Tứ phương

2

Nhiệt độ nóng chảy (0C)

1800

1850
8


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

3

Khối lượng riêng (g/cm3)

3.84

4.20

4

Độ cứng Mohs

5.5-6.0

6.0-7.0

5

Chỉ số khúc xạ

2.54

2.75

6

Hằng số điện môi

31

114

Nhiệt dung riêng (cal/mol.0C)

12.96

13.2

Mức năng lượng vùng cấm
(eV)

3.25

3.05

7
8

TiO2 ở dạng có kích thước micromet rất bền về hố học, khơng tan trong các acid.
Tuy nhiên, khi đưa TiO2 về dạng kích thước nanomet, TiO2 có thể tham gia một số phản
ứng với axit và kiềm mạnh.
Các dạng oxit, hydroxit và các hợp chất của Ti (IV) đều có tính lưỡng tính.
TiO2 có một số tính chất ưu việt thích hợp dùng làm chất xúc tác quang:
 Hấp thụ ánh sáng trong vùng tử ngoại, cho ánh sáng trong vùng hồng ngoại và
khả kiến truyền qua.
 Là vật liệu có độ xốp cao vì vậy tăng cường khả năng xúc tác bề mặt.
 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 hố học, khơng độc, thân thiện
với mơi trường và có khả năng tương hợp sinh học cao.
Gần đây các nhà khoa học phát hiện thêm một tính chất tuyệt vời của TiO2 là bề mặt
TiO2 sẽ trở nên siêu thấm ướt khi được chiếu sáng UV. Như vậy khi có ánh sáng tác

động TiO2 thể hiện đồng thời 2 tính chất nhưng chúng có bản chất khác nhau: tính siêu
thấm ướt và khả năng xúc tác quang. Hai tính chất này được áp dụng rộng rãi trong
ngành sản xuất kính tạo ra sản phẩm vừa có khả năng tự làm sạch vừa có khả năng
chống mờ, chống tạo sương.

9


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

2.1.2. Cơ sở lý thuyết về quá trình quang xúc tác trên TiO2
2.1.2.1. Vật liệu bán dẫn và chất xúc tác cho q trình quang hố
Theo lý thuyết vùng, cấu trúc điện tử của kim loại gồm có một vùng gồm những
obitan phân tử liên kết được xếp đủ electron, được gọi là vùng hoá trị (Vanlance Band
- VB) và một vùng gồm những obitan phân tử liên kết còn trống electron, được gọi là
vùng dẫn (Conductance Band - CB). Hai vùng này được chia cách bởi một hố năng
lượng được gọi là vùng cấm, đặc trưng bởi năng lượng vùng cấm Eg (Bandgap Energy),
chính là độ chênh lệch về năng lượng giữa hai vùng nói trên. Sự khác nhau giữ vật liệu
dẫn điện, vật liệu chá điện và vật liệu bán dẫn chính là sự khác nhau ở vị trí và năng
lượng vùng cấm. Đối với vật liệu dẫn điện, vùng hoá trị và vùng dẫn nằm che phủ lên
nhau và khong có vùng cấm; nhờ đó những electron chiếm đầy trong các obitan liên kết
ở vùng hố trị có thể dễ dàng nhảy qua các obitan phản liên kết còn trống trong vùng
dẫn khi vật liệu được đặt dưới một điện áp nào đó. Ngược lại, đối với vật liệu cách điện,
hai vùng hoá trị và vùng dẫn nằm cách khá xa nhau, năng lượng vùng cấm lớn nên các
electron ở vùng hố trị khơng thể nào vượt qua vùng cấm để nhảy lên vùng dẫn mặc dù
được đặt dưới một điện áp rất lớn. Vật liệu bán dẫn là vật liệu có tính chất trung gian
giữa hai loại vật liệu nêu trên. Nghĩa là, những electron trong vùng hoá trị của vật liệu
bán dẫn khi có một kích thích đủ lớn (lớn hơn năng lượng vùng cấm Eg) có thể vượt
qua vùng cấm để nhảy lên vùng dẫn, trở thành chất dẫn điện có điều kiện. Nói chung,
những chất có năng lượng vùng cấm Eg lớn hơn 3,5 eV là những chất cách điện, và

ngược lại khi Eg thấp hơn 3,5 eV sẽ là những chất bán dẫn [7].
Những chất bán dẫn có Eg thấp hơn 3,5eV đều có thể làm chất xúc tác quang
(Photocatalysts) vì khi được kích thích bởi các photon ánh sáng, các electron trên vùng
hoá trị của chất bán dẫn sẽ bị kích thích và nhảy lên vùng dẫn với điều kiện năng lượng
của các photon phải lớn hơn năng lượng vùng cấm Eg. Kết quả là trên vùng dẫn sẽ có
các electron mang điện tích âm do q trình bức xạ photon tạo ra, được gọi là electron
quang sinh (photogenerated electron) và trên vùng hố trị sẽ có các lỗ trống mang điện
tích dương h+, được gọi là các lỗ trống quang sinh (photogenerated hole). Chính các
electron quang sinh và lỗ trống quang sinh là nguyên nhân dẫn đến các q trình hố
học xảy ra, bao gồm q trình oxy hoá đối với lỗ trống quang sinh và quá trình khử đối
với electron quang sinh. Khả năng khử và khả năng oxy hoá của các electron quang
sinh và lỗ trống quang sinh là rất cao so với các tác nhân oxy hoá - khử đã biết trong
10