Nghiên cứu cố định bạc kim loại kích thước nanomet trên bề mặt than hoạt tính làm vật liệu tiệt trùng nước

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

Dương Thị Thu Hương

NGHIÊN CỨU CỐ ĐỊNH BẠC KIM LOẠI KÍCH THƯỚC
NANOMET TRÊN BỀ MẶT THAN HOẠT TÍNH
LÀM VẬT LIỆU TIỆT TRÙNG NƯỚC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – 2016


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

Dương Thị Thu Hương

NGHIÊN CỨU CỐ ĐỊNH BẠC KIM LOẠI KÍCH THƯỚC
NANOMET TRÊN BỀ MẶT THAN HOẠT TÍNH
LÀM VẬT LIỆU TIỆT TRÙNG NƯỚC

Chun ngành: Hóa mơi trường
Mã số: 60440120

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS. TS. TRẦN HỒNG CÔN

Hà Nội – 2016


LỜI CẢM ƠN

Với lịng kính trọng và biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn
PGS. TS. Trần Hồng Cơn, thầy đã giao đề tài và tận tình hướng dẫn, tạo mọi điều kiện
thuận lợi cho em trong quá trình nghiên cứu và hồn thành luận văn.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo tại bộ môn Hố Mơi trường và các
phịng 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 cứu vừa qua.
Chân thành cảm ơn các bạn học viên, các em sinh viên làm việc trong phịng thí
nghiệm hóa mơi trường đã giúp đỡ tơi trong q trình tìm tài liệu và hồn thiện luận
văn.
Trong q 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 q thầy cơ để đề tài được hồn
thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 18 tháng 01 năm 2016
Học viên:

Dương Thị Thu Hương


DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1

Số nguyên tử bạc trong một đơn vị thể tích

4

Bảng 1.2

Một số chất hấp phụ điển hình

14

Bảng 1.3

Khả năng hấp thụ của than hoạt tính

17

Bảng 3.1

Kết quả khảo sát nước đầu vào

38

Bảng 3.2

Kết quả khảo sát thời gian tiếp xúc với vật liệu A5

40

Bảng 3.3

Kết quả khảo sát khả năng diệt khuẩn của dãy vật liệu theo
phương pháp tĩnh

41

Bảng 3.4

Kết quả khảo sát tốc độ dòng với vật liệu A5

43

Bảng 3.5

Kết quả khảo sát chiều cao cột với vật liệu A5

44

Bảng 3.6

Kết quả khảo sát chiều cao cột với vật liệu A4

46

Bảng 3.7

Kết quả khảo sát chiều cao cột với vật liệu A3

47

Bảng 3.8

Kết quả khảo sát chiều cao cột với vật liệu A2

48

Bảng 3.9

Kết quả khảo sát chiều cao cột với vật liệu A1

49

Bảng 3.10

Kết quả khảo sát chiều cao cột với vật liệu A0

50

Bảng 3.11

Kết quả khảo sát nước sông Kim Ngưu ở đầu vào

51

Bảng 3.12

Khảo sát chiều cao cột khi tiệt trùng nước sông Kim Ngưu

52

Bảng 3.13

Khảo sát tốc độ dòng khi tiệt trùng nước sông Kim Ngưu

53


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1

Tác động của ion bạc lên vi sinh vật

5

Hình 1.2

Ion bạc liên kết với các bazơ của DNA

7

Hình 1.3

Khẩu trang nano bạc do Viện Cơng nghệ mơi trường sản xuất

10

Hình 1.4

Dược phẩm, mỹ phẩm sử dụng nano bạc

10

Hình 1.5

Dung dịch nano bạc dùng cho nơng nghiệp và thủy sản

10

Hình 1.6

Các sản phẩm khác có chứa nano bạc

11

Hình 2.1

Quy trình tổng hợp vật liệu than hoạt tính tẩm nano bạc

27

Hình 2.2

Sơ đồ ngun lý hoạt động của kính hiển vi điện tử truyền qua

31

Hình 2.3

Ảnh TEM của các hạt nano bạc kích thước 10 nm

32

Hình 2.4

Sơ đồ ngun lý hoạt động của kính hiển vi điện tử qt

32

Hình 3.1

Ảnh TEM của dung dịch nano bạc 400mg/l

34

Hình 3.2

Dung dịch nano bạc ở các nồng độ khác nhau

35

Hình 3.3

Ảnh SEM của vật liệu than hoạt tính A0

35

Hình 3.4

Ảnh SEM của vật liệu A1

36

Hình 3.5

Ảnh SEM của vật liệu A2

36

Hình 3.6

Ảnh SEM của vật liệu A3

37

Hình 3.7

Ảnh SEM của vật liệu A4

37

Hình 3.8

Ảnh SEM của vật liệu A5

38

Hình 3.9

Kết quả khảo sát nước đầu vào

39

Hình 3.10 Kết quả khảo sát thời gian tiếp xúc với vật liệu A5

40

Hình 3.11 Sự phụ thuộc của số lạc khuẩn vào thời gian tiếp xúc với vật liệu A5

41


Hình 3.12

Kết quả khảo sát khả năng diệt khuẩn của dãy vật liệu theo phương
pháp tĩnh

42

Hình 3.13 Sự phụ thuộc của số lạc khuẩn vào hàm lượng bạc

42

Hình 3.14 Kết quả khảo sát tốc độ dịng với vật liệu A5

43

Hình 3.15 Sự phụ thuộc của số lạc khuẩn vào tốc độ dịng với vật liệu A5

44

Hình 3.16 Kết quả khảo sát chiều cao cột với vật liệu A5

45

Hình 3.17 Sự phụ thuộc của số lạc khuẩn vào chiều cao cột với vật liệu A5

45

Hình 3.18 Kết quả khảo sát chiều cao cột với vật liệu A4

46

Hình 3.19 Sự phụ thuộc của số lạc khuẩn vào chiều cao cột với vật liệu A4

46

Hình 3.20 Kết quả khảo sát chiều cao cột với vật liệu A3

47

Hình 3.21 Sự phụ thuộc của số lạc khuẩn vào chiều cao cột với vật liệu A3

47

Hình 3.22 Kết quả khảo sát chiều cao cột với vật liệu A2

48

Hình 3.23 Sự phụ thuộc của số lạc khuẩn vào chiều cao cột với vật liệu A2

48

Hình 3.24 Kết quả khảo sát chiều cao cột với vật liệu A1

49

Hình 3.25 Sự phụ thuộc của số lạc khuẩn vào chiều cao cột với vật liệu A1

49

Hình 3.26 Kết quả khảo sát chiều cao cột với vật liệu A0

50

Hình 3.27 Sự phụ thuộc của số lạc khuẩn vào chiều cao cột với vật liệu A0

50

Hình 3.28 Kết quả khảo sát nước sơng Kim Ngưu ở đầu vào

51

Hình 3.29 Khảo sát chiều cao cột khi tiệt trùng nước sơng Kim Ngưu

52

Hình 3.30

Sự phụ thuộc của số lạc khuẩn vào chiều cao cột khi tiệt trùng nước
sơng Kim Ngưu

Hình 3.31 Kết quả khảo sát tốc độ dịng khi tiệt trùng nước sơng Kim Ngưu
Hình 3.32

Sự phụ thuộc của số lạc khuẩn vào tốc độ dịng khi tiệt trùng nước
sơng Kim Ngưu

52
53
54


BẢNG KÍ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT

AC

Than hoạt tính (Activated Carbon)

CFU

Số đơn vị hình thành khuẩn lạc (Colony Forming Unit)

PEG

Polyetylenglycol

PVA

Polyvinylancol

PVP

Polyvinylpyrrolidone

SEM

Kính hiển vi điện tử quét (Scanning electron Microscope)

TEM

Kính hiển vi điện tử truyền qua (Transmission electron Microscope)


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU.....................................................................................................................1
Chương 1: TỔNG QUAN ...........................................................................................2
1.1 Công nghệ nano và vật liệu nano bạc ................................................................2
1.1.1 Công nghệ 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 Ơ nhiễm vi sinh vật trong nước sinh hoạt và nước thải...................................18
1.3.1 Nguồn ô nhiễm 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 chất và dụng cụ ........................................................................................23

2.1.1 Hóa chất.....................................................................................................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 của vật liệu .........................................27
2.3.1 Rửa và khử trùng dụng 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 THẢO 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 LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................56

MỞ ĐẦU
Hiện nay tình trạng ơ nhiễm mơi 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 ơ
nhiễm thường chứa các chất có hại 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 số lượng lớn trong mơi trường từ phân
người và động vật. Coliform được coi như là vi sinh vật chỉ thị cho mức độ ô nhiễm
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 cơng nghệ
đã có từ nghìn năm trước là sử dụng kim loại bạc.
Bạc được biết đến là kim loại quý và khả 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 cuộc sống. Công nghệ 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 thể 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 nước 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 triển 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 lựa 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 vật liệu tiệt trùng nước”.

1


TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1. Bộ Y tế, Cục Y Tế dự phịng và Mơi trường (2009), Thơng tư số: 04/2009/TT –
BYT ngày 17/6/2009: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước ăn
uống QCVN 01:2009/BYT.
2. Vũ Đình Cự, Nguyễn Xuân Chánh (2004), Công nghệ nano điều khiển đến từng
phân tử, NXB Khoa học kĩ thuật, Hà Nội, trang 31 - 36, trang 104 - 119.
3. Nguyễn Lân Dũng, Nguyễn Đình Quyến, Phạm Văn Ty (2009), Vi sinh vật học,
Nhà xuất bản Giáo dục, Hà Nội.
4. Nguyễn Thị Lan (2009), Nghiên cứu tổng hợp, tính chất và khả năng ứng dụng
vật liệu xúc tác bạc kim loại trên chất mang đồng oxit, Luận văn thạc sĩ khoa
học, Đại học Khoa học Tự Nhiên - Đại học Quốc Gia Hà Nội.
5. La Vũ Thùy Linh (2010), “Công nghệ nano – Cuộc cách mạng trong khoa học kỹ
thuật thế kỉ 21”, Khoa học và Ứng dụng, 12, Tp. Hồ Chí Minh, trang 47 - 49.
6. Hồng Nhâm (2004), Hóa học các nguyên tố, Tập II, Nhà xuất bản Đại học Quốc
Gia Hà Nội.
7. Lê Minh Tâm (2007), Phương pháp phân tích một số chỉ tiêu vi sinh cơ bản của
thực phẩm, Giáo trình Đại học Cơng nghiệp thực phẩm Thành phố Hồ Chí
Minh.
8. Trần Mai Thanh (2010), Nghiên cứu tổng hợp và khả năng ứng dụng của vật liệu
xúc tác Ag/ZnO, Luận văn thạc sĩ khoa học, Đại học Khoa học Tự Nhiên - Đại
học Quốc Gia Hà Nội.
9. Trịnh Thị Thanh, Trần m, Đồng Kim Loan (2004), Giáo trình Cơng nghệ môi
trường, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Hà Nội.
10. Nguyễn Đình Triệu (2000), Các phương pháp phân tích vật lý và hóa lý, Tập I,
Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội.

56


11. Nguyễn Ngọc Tú (2009), Nghiên cứu gel nước thông minh nhạy pH lai nano
bạc, Khóa luận tốt nghiệp đại học chính quy, Trường Đại học Cơng nghệ, Đại
học Quốc gia Hà Nội.
12. Nguyễn Trọng Uyển, Trần Hồng Côn, Đỗ Thị Thủy (2012), “Nghiên cứu chế
tạo vật liệu hấp phụ trên cơ sở than hoạt tính và nano titanđioxit ứng dụng
trong xử lý mơi trường”, Tạp chí Hóa học, T. 50 (3), trang 286 - 289.
Tiếng Anh
13. Bjørnar Jensen (2009), Modeling Trapping Mechanism for PCB Adsorption on
Activated Carbon, Department of Physics and Technology University of
Bergen, Norway.
14. Boris Mahltig, Helfried Haufe, Kerstin Muschter, Anja Fischer, Young Hwan
Kim, Emanuel Gutmann, Marianne Reibold, Dirk Carl Meyer,Torsten Textor,
Chang Woo Kim and Young Soo Kang (2010), Silver Nanoparticles in SiO2
Microspheres – Preparation by Spray Drying and Use as Antimicrobial Agent,
Scientific paper, 57 (12), pp. 451.
15. CRC Press LLC (1999), Environmental Engineers’ Handbook, England,
Chapter 11.
16. Dhermendra K. Tiwari1, J. Behari, P. Sen (2008), “Time and dose-dependent
antimicrobial potential of Ag nanoparticles synthesized by top-down
approach”, Current Science, 95 No. 5, pp. 647 – 655.
17. Jun Sung Kim, Eunye Kuk, Kyeong Nam Yu, Jong-Ho Kim, Sung Jin Park, Hu
Jang Lee, So Hyun Kim, Young Kyung Park, Yong Ho Park, Cheol-Yong
Hwang, Yong- Kwon Kim, Yoon-Sik Lee, Dae Hong Jeong, Myung-Haing
Cho (2007), “Antimicrobial effects of silver nanoparticles”, Nanomedicine:
Nanotechnology, Biology and Medicine, 3, pp. 95 – 101.
18. Lyle F. Albright (2008), Albright's Chemical Engineering Handbook, London,
England, Chapter 14.

57


19. Nelson Durán, Priscyla D. Marcato, Roseli De Conti, Oswaldo L. Alves, Fabio
T. M. Costa, Marcelo Brocchi (2010), “Potential use of Silver Nanoparticles
on pathogenic bacteria, their toxicity and possible mechanisms of action”, J.
Braz. Chem. Soc, 21 No. 6, pp. 949 - 959.
20. Pavel Dibrov, Judith Dzioba, Khoosheh K. Gosink, Claudia C. Hase (2002),
“Chemiosmotic Mechanism of Antimicrobial Activity of Ag + in Vibrio
cholerae”, Antimicrobial Agents and Chemotherapy, 46 No.8, pp. 2668 - 2670.

58