Luận văn thạc sĩ nghiên cứu cố định bạc kim loại kích thước nanomet trên bề mặt than hoạt tính

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


Chương 1: TỔNG QUAN
1.1 Công nghệ nano và vật liệu nano bạc
1.1.1 Công nghệ nano
1.1.1.1 Khái niệm và nguồn gốc của công nghệ nano
Công nghệ nano là ngành công nghệ liên quan đến việc chế tạo, thiết kế,
phân tích cấu trúc và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng việc điều
khiển hình dáng, kích thước trên quy mô nanomet (nm, 1 nm = 10-9 m). Ở kích
thước nano, vật liệu sẽ có những tính năng đặc biệt mà vật liệu truyền thống khơng
có được đó là do sự thu nhỏ kích thước và việc tăng diện tích mặt ngồi.
Ý tưởng cơ bản về cơng nghệ nano được đưa ra bởi nhà vật lý học 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 tử, phân tử. Nhưng thuật ngữ
“công nghệ nano” mới bắt đầu được sử dụng vào năm 1974 do Nario Taniguchi một
nhà nghiên cứu 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 dị qt có khả năng quan sát đến
kích thước vài nguyên tử hay phân tử, con người mới có thể quan sát và hiểu rõ hơn
về lĩnh vực nano. Từ đó, cơng 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 nghệ 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 ngun tử (1 µm3 có khoảng 1012 ngun tử) và có thể bỏ qua các thăng giáng
ngẫu nhiên. Nhưng các cấu trúc nano có ít ngun tử hơn thì các tính chất lượng tử
thể hiện rõ ràng hơn.

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 hóa học nhưng Au ở cấp độ nano lại
là chất có hoạt tính xúc 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 xúc tác,
công nghệ sinh học và mơi trường.
- Kích thước tới hạn: Vật liệu thơng thường thường được đặc trưng bởi
một số tính chất vật lý, hóa học khơng đổi như độ dẫn điện, nhiệt độ nóng chảy,
nhiệt độ sơi, 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 hồn tồn 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 chúng 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 vật 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 loại:
- Vật liệu một chiều là vật liệu trong đó chỉ có một chiều là kích thước nano.
Ví dụ như dây nano, ống nano…
- Vật liệu nano hai chiều là vật liệu có hai chiều 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 một phần của vật liệu có
cấu trúc nano hoặc gồm các cấu trúc nano ba chiều, 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
Ngun tố bạc có kí hiệu hóa học là Ag, nằm ở ơ 47, chu kì 5, nhóm IB,
trong Bảng tuần hồn các ngun tố hóa học. Cấu hình electron các phân lớp ngồi
cùng là 4d105s1. Ag kết tinh ở dạng lập phương tâm diện, có bán kính nguyên tử là
0

1,44  . Ag là kim loại nặng, mềm, có ánh kim, màu trắng, có hai đồng vị bền là
107

Ag (51,9%) và 109Ag (48,1%) [6].
Nhiệt độ sôi, nhiệt độ nóng chảy 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 học, bạc là kim loại rất kém hoạt động. Bạc không tác dụng với
oxi khơng 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 phịng bệnh. 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 hợp chất của bạc thể hiện tính độc
đối với vi sinh vật, virus, tảo và nấm. Tuy nhiên, khác với các kim loại nặng khác
(chì, thủy ngân…) bạc khơng thể 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 khơng cịn 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 trở 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 cơng 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 vơ hiệu hóa
nhóm thiol trong men vận chuyển oxi hoặc sự tương tác với DNA dẫn đến sự đime
hóa pyriđin và cản trở q trình sao chép DNA của tế bào vi sinh vật. Các nhà khoa
học thuộc hãng Inovation Hàn Quốc cho rằng bạc tác dụng lên màng bảo vệ của tế
bào vi sinh vật. Màng này là một cấu trúc gồm 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 peptidoglican và ức chế khả năng vận chuyển
oxy của chúng vào bên trong tế bào dẫn đến làm tê liệt 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 thể lại
được phục hồi. Các tế bào động vật cao có lớp màng bảo vệ hồn tồn khác so với
tế bào vi sinh vật với hai lớp lipoprotein giàu liên kết đơi có khả năng cho điện tử,
do đó khơng cho phép các ion bạc xâm nhập. Vì vậy chúng khơng bị tổn thương khi
tiếp xúc với các ion này. Do đó, hạt bạc khơng có khả 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 diệt khuẩn [16, 17].
Ngồi ra, các ion bạc cịn có khả 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+

+

O2-




2Ago +

Oo

Theo các nhà khoa học Nga, hiện nay đã có nhiều lý thuyết 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
vơ hiệu hóa là do kết 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 tế bào vi sinh vật và vơ hiệu hóa chúng [20].
Ngồi ra, có một cơ chế tác động của các ion bạc lên vi sinh vật đáng chú ý
được mô tả 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 phản ứng với nhóm sunfuahydrin – SH của phân tử

6


enzym chuyển hóa oxy và vơ hiệu hóa men này dẫn đến ức chế q trình hơ hấp của
tế bào vi sinh vật [11].
Bên cạnh đó, các ion bạc cịn có khả năng liên kết với các bazơ của DNA và
trung hịa điện tích của gốc photphat do đó ngăn chặn quá trình sao chép DNA.

Hình 1.2: Ion bạc liên kết với các bazơ của DNA

Cho đến nay mới chỉ có một 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 học thừa nhận. Đó là khả
năng diệt vi sinh vật của hạt nano bạc nhờ quá trình chuyển đổi các nguyên tử bạc
kim loại thành dạng ion Ag+ tự do và các ion tự 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 cứu có cùng quan
điểm thống nhất rằng chúng phá hủy 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 hủy chức năng của
chúng [19].
1.1.3.4 Bạc nano và tính ưu việt của bạc nano so với bạc ion và bạc khối
Nano bạc là tập hợp của các ngun tử 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. Ngồi ra, bạc nano có nhiều 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 tốt hơn hẳn so với bạc kim loại hay bạc
ion và lượng bạc cần sử dụng thì ít hơn rất nhiều góp phần tiết kiệm chi phí sản
xuất.
Các hạt nano bạc có hiện tượng cộng hưởng Plasmon bề mặt. Hiện tượng này
tạo nên màu sắc từ vàng nhạt đến đen cho các dung dịch có chứa hạt nano bạc với
các màu sắc 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 thể giải phóng
ion bạc ra mơi trường và chính những ion này đóng vai trị là chất diệt khuẩn.
Nhưng khi ở trạng thái bạc khối, lượng ion bạc được giải phóng ra là rất ít; cịn
nếu sử dụng dung dịch ion bạc để diệt khuẩn thì thời gian tác dụng ngắn do tính
khơng bền của ion bạc. Ở trạng thái nano, với diện tích bề mặt riêng rất lớn là một

hệ giải phóng ion bạc tốt, các ion bạc được giải phóng từ từ vào mơi trường nên
đạt khả năng diệt khuẩn cao và lâu dài [4, 8].
Bạc nano là vật liệu có diện tích bề mặt riêng rất lớn bạc có khả năng kháng
khuẩn tốt hơn so với các vật liệu khối do khả năng giải phóng nhiều ion Ag+ hơn
đồng thời có những đặc tính độc đáo sau [11]:
- Tính khử khuẩn, chống nấm, khử mùi, có khả năng phát xạ tia hồng ngoại
đi xa, chống tĩnh.
- Không có hại cho sức khỏe con người với liều lượng tương đối cao, khơng
có phụ gia hóa chất.
- Có khả năng phân tán ổn định trong các loại dung môi khác nhau (trong các
dung môi phân cực như nước và trong các dung môi không phân cực như benzene,
toluene).
- Độ bền hóa học cao, khơng bị biến đổi dưới tác dụng của ánh sáng và các
tác nhân oxy hóa khử thơng thường.
- Chi phí cho q 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 khuẩn, khử mùi… Nano bạc có thể 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 khả năng kháng khuẩn rất tốt. Chúng có phổ 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 loại bông gạc y tế (gạc
chữa bỏng được phủ nano bạc), các dụng cụ phẫu thuật, dung dịch tẩy trùng và một
số dược phẩm.

- Trong may mặc người ta có thể tạo ra vải có chứa nano bạc giúp cho loại
vải mới này có khả năng tự diệt khuẩn và nhờ đặc tính bề mặt mà nó cũng giảm khả
năng bám bẩn của vải.
- Nhờ tính năng khử khuẩn của nano bạc và tác dụng lọc mùi, lọc 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 khơng khí rất tốt. Lớp vải tẩm nano bạc có chức
năng diệt vi sinh vật, virus, nấm bị giữ lại trên khẩu trang đồng thời có tác dụng khử
mùi.
- Trong xây dựng sử dụng sơn nano bạc có khả năng tự diệt khuẩn chống
bám bẩn, dễ lau chùi.
- Trong nông nghiệp người ta đã tạo ra dung dịch thuốc bảo vệ thực vật từ
nano bạc có khả 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 hoạt hằng
ngày các đồ dùng sinh hoạt được phủ nano bạc như tủ lạnh, bộ lọc điều hòa nhiệt
độ, bình lọc nước, bình sữa... với tác dụng chính là chống khuẩn. Những đồ dùng

9


bằng nhựa có pha thêm hạt nano bạc có tác dụng khử trùng. Qua kiểm tra cho thấy
chúng có khả năng diệt 99,9% vi sinh vật.
- Màng hơ hấp: Đó là một tấm màng mỏng có thể cho khí và hơi nước qua
nhưng không thể cho chất lỏng đi qua, có vơ 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 Cơng nghệ mơi trường sản xuất

Hình 1.4: Dược phẩm, mỹ phẩm sử dụng nano bạc

Hình 1.5: Dung dịch nano bạc dùng cho nông nghiệp và thủy sản

10


Hình 1.6: Các sản phẩm khác có chứa nano bạc
1.1.3.6 Các phương pháp điều chế nano bạc
Người ta có thể 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 phương pháp hóa học. Ở đây, chúng tơi chỉ đề cập
đến một số phương pháp điển hình đã được biết khá rộng rãi trên thế giới.
* Phương pháp khử hoá học
- Phương pháp khử hoá học là phương pháp phổ biến trong việc điều chế
các hạt keo bạc nano.
- Nguyên tắc là khử muối bạc (thường dùng AgNO3) dưới sự có mặt của
một tác nhân bảo vệ thích hợp cần thiết (thường là các polime và các chất hoạt
động bề mặt) để khống chế quá trình lớn lên và tập hợp của các hạt keo bạc. Kích
thước hạt phụ thuộc vào khả năng khử của chất khử vào tác nhân bảo vệ và các
điều kiện thí nghiệm (nồng độ dung dịch, nhiệt độ).
- Tác nhân khử đóng vai trị quan trọng trong q trình điều chế. Độ mạnh
yếu của tác nhân khử 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 hạt 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 muốn.

11


Các tác nhân khử thường dùng là: etylen glicol, formanđehit, natribohyđrua,
hyđrazin, glucozơ. Các tác nhân khử vừa là chất bảo vệ vừa là chất khử lại đóng
vai trị dung mơi là thích hợp nhất trong việc tổng hợp bạc nano.
Chất bảo vệ thường được sử dụng là các polime mạch dài, các chất hoạt
động bề mặt, thiol mạch thẳng có số nguyên tử cacbon lớn như: PVP, PVA, PEG...
Các chất bảo vệ này có thể là chất độc lập khi thêm vào hỗn hợp phản ứng nhưng
có nhiều trường hợp, nó chính là sản phẩm khử sinh ra trong q trình phản ứng
hoặc các muối bạc ban đầu chưa phản ứng hết. Vai trị của chúng là khống chế q
trình lớn lên và tập hợp các hạt bạc nano tạo thành.
Có nhiều ý kiến giải thích khác nhau về vai trò của chất bảo vệ nhưng điểm
chung đều cho là có sự tương tác giữa các nguyên tử bạc nano ở lớp vỏ ngoài với
các tác nhân này, làm giảm năng lượng tự do bề mặt hạt nano. Phân tử các tác
nhân làm bền thường có các nhóm phân cực như nhóm -OH ở PVA, xenlulozơ gắn
trên các polime có ái lực mạnh với Ag+ hay nguyên tử Ag kim loại. Các hạt bạc
nano khi vừa hình thành trên khn polime như vậy đã được ngăn cách với nhau
và không thể kết tụ được với nhau. Điều này đã khống chế quá trình lớn lên và tập
hợp của các hạt, do đó dễ tạo kích thước nhỏ và đồng đều.
Ngồi ra, các hạt 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 hạt nano bạc mang điện tích trái
dấu và đẩy nhau tránh hiện tượng keo tụ.
Ngoài ra các yếu 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 Ag2O nên khó khống chế phản
ứng, đặc biệt khi pH cao ion OH- làm mỏng lớp điện kép bao ngoài hạt 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 bền 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 họ axit béo mạch dài thẳng làm chất bảo vệ. Nung muối đó ở
nhiệt độ dưới 300oC trong vòng 2 giờ ta sẽ thu được tinh thể bạc nano với kích cỡ
nhỏ và phân bố kích thước hẹp.
Phương pháp này đơn giản, ít độc, tốn ít hố 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 nhiều q trình biến đổi của dung môi và các
phụ gia trong dung môi để sinh ra các gốc hóa học có tác dụng khử ion thành kim
loại.
Ngồi các phương pháp trên cịn có phương pháp khác như sử dụng màng
chất đa điện ly, phương pháp Polyol, dùng sóng siêu âm, quang hố hay phương
pháp phóng xạ kết hợp với thuỷ nhiệt [4, 8].
1.2 Sơ lược về hấp phụ và than hoạt tính
1.2.1 Khái niệm hấp phụ
Hấp phụ là q trình xảy ra khi một chất khí hay chất lỏng bị hút trên bề mặt

một chất rắn xốp. Quá trình hấp phụ xảy ra trên bề mặt tiếp xúc giữa hai pha dị thể
(rắn - khí, rắn - lỏng, lỏng - khí). Phương pháp này được dùng chủ yếu để hấp phụ
hơi dung môi hữu cơ và các khí độc, hiệu quả có thể đạt tới 90-98%.

13


Có hai kiểu 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 toả nhiệt, độ nhiệt toả ra phụ thuộc vào
cường độ lực liên kết phân tử.
- Hấp phụ hố 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 chứa vơ cùng
nhiều các lỗ rỗng li ti có khả năng hấp phụ, bắt giữ mà khơng có phản ứng hóa học
gì với khí độc. Các khí độc này có thể được nhả ra trong một điều kiện nhất định.
Bảng 1.2 giới thiệu một số chất thường dùng than hoạt tính, cao lanh hoạt hóa,
zeolit, silicagel [15].
Bảng 1.2: Một số chất hấp phụ điển hình
Kích thước hạt

Diện tích bề mặt

(mm)

(m2/kg)

Kị nước

1–5

0,8.106 – 1,5.106

Than hoạt tính dạng bột

Kị nước

Nhỏ hơn 1

0,7.106 – 1,4.106

Silicagel lỗ nhỏ

Ưa nước

1–6

0,6.106 – 0,8.106

Nhôm oxit hoạt tính

Ưa nước

2–10

0,3.106 – 0,4.106

Zeolit

Ưa nước

0,5–2

0,5.106 – 1,0.106

Chất hấp phụ

Ái lực

Than hoạt tính dạng viên

14


Vật liệu hấp phụ cần đảm bảo các yêu cầu sau:
- Có khả 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 dễ dàng.
- Giá thành thấp.
Sau một thời gian, chất hấp phụ bị no khơng thể hấp phụ thêm khí độc nữa
thì có thể đổ bỏ cùng rác thải hoặc hồn ngun lại 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 q trình làm sạch khí thải. Q trình này nhằm khơi phục lại hoạt tính vốn có
của chất hấp phụ và chính là q trính hấp phụ ngược. Khí độc bay ra từ q trình
giải hấp thường có nồng 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 mơi trường.
1.2.3 Than hoạt tính (Activated Carbon - AC)

Than hoạt tính là một chất hấp phụ rắn, xốp, khơng phân cực và có bề mặt
riêng rất lớn (từ 500 tới 2500 m2/g). Về bản chất nguyên tố, than hoạt tính thuộc
nhóm graphit – một dạng thù hình của cacbon – gồm các tinh thể nhỏ có cấu
trúc bất trật tự nhưng khác với graphit là trong tinh thể của than hoạt tính các
vịng sáu ngun tử cacbon sắp xếp kém trật tự hơn. Vì vậy than hoạt tính có
cấu tạo xốp và tạo nên nhiều lỗ hổng nhỏ khơng đồng đều và rất phức tạp. Ngồi
thành phần chủ yếu là cacbon, than hoạt tính cịn 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 lỗ xốp phức tạp
và bề mặt riêng khác nhau tùy thuộc vào cách sản xuất. Các lỗ xốp có bán kính

15


hiệu dụng từ vài chục đến hàng chục nghìn angstron. Về mặt cấu tạo, nó có cấu
trúc kiểu tổ ong, bao gồm một hệ thống lỗ xốp mao quản thông nhau và thơng
với mơi trường bên ngồi với cấu trúc khơng gian ba chiều. Có thể chia kích
thước lỗ xốp thành ba loại như sau [13]:
0

(1) Dạng vi mao quản, bán kính hiệu dụng cỡ 10  , có bề mặt riêng lớn
nhất (350 – 1000 m2/g) và chiếm phần chủ yếu trong than hoạt tính.
(2) Dạng mao quản trung bình có bán kính hiệu dụng trong khoảng 100
0

đến 250  . Bề mặt riêng khoảng 100 m2/g.
0

(3) Dạng mao quản lớn có bán kính hiệu dụng khoảng 1000 đến 10000 
và có bề mặt riêng nhỏ vào khoảng 2 m2/g.
Nghiên cứu nhiễu xạ tia X cho thấy rằng cấu trúc bề mặt của than hoạt
tính là các nguyên tử khác loại hoặc các loại phân tử được liên kết với cạnh
hoặc góc của các lớp thơm hoặc với các nguyên tử cacbon ở các vị trí khuyết
làm tăng các hợp chất cacbon – oxi, cacbon – hiđro, cacbon – nitrơ, cacbon –
lưu huỳnh, cacbon – halogen trên bề mặt, chúng được biết đến như là các nhóm
bề mặt hoặc các phức bề mặt. Trong đó, nhóm cacbon – oxi bề mặt là những
nhóm quan trọng nhất ảnh hưởng đến đặc trưng bề mặt như tính ưa nước, độ
phân cực, tính axit, và đặc điểm hóa lý như khả năng xúc tác, dẫn điện và khả
năng phản ứng của các vật liệu than hoạt tính.
Than hoạt tính có tác dụng hấp phụ tốt đối với các chất không hoặc kém
phân cực ở dạng khí và dạng lỏng. Từ lâu than hoạt tính đã được sử đụng để làm
mặt nạ phịng độc, làm sạch mùi và khử màu các sản phẩm dầu mỡ. Ngày nay
trên thế giới than hoạt tính được coi như một chất hấp phụ chủ yếu trong công
nghệ xử lý làm sạch môi trường. Bảng 1.3 thống kê khả năng hấp thụ tối đa một số
chất độc của than hoạt tính [18].

16