Tài liệu 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 Chuyên ngành: Hóa môi trường Mã số: 60440120 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. TRẦN HỒNG CÔN Hà Nội – 2016 LỜI CẢM ƠN Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn PGS. TS. Trần Hồng Côn, thầy đã giao đề tài và tận tình hướng dẫn, tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo tại bộ môn Hoá Môi trường và các phòng thí nghiệm tại khoa Hóa học – Trường Đại học Khoa học Tự nhiện – Đại học Quốc Gia Hà Nội đã giúp đỡ em trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu vừa qua. Chân thành cảm ơn các bạn học viên, các em sinh viên làm việc trong phòng thí nghiệm hóa môi trường đã giúp đỡ tôi trong quá trình tìm tài liệu và hoàn thiện luận văn. Trong quá trình làm nghiên cứu và báo cáo đề tài, chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự góp ý của quý thầy cô để đề tài được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành 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 Công nghệ môi 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 nông 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 nguyên 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 nguyên lý hoạt động của kính hiển vi điện tử quét 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 dòng với vật liệu A5 43 Hình 3.15 Sự phụ thuộc của số lạc khuẩn vào tốc độ dòng 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 sông Kim Ngưu ở đầu vào 51 Hình 3.29 Khảo sát chiều cao cột khi tiệt trùng nước sông Kim Ngưu 52 Hình 3.30 Sự phụ thuộc của số lạc khuẩn vào chiều cao cột khi tiệt trùng nước sông Kim Ngưu Hình 3.31 Kết quả khảo sát tốc độ dòng khi tiệt trùng nước sông Kim Ngưu Hình 3.32 Sự phụ thuộc của số lạc khuẩn vào tốc độ dòng khi tiệt trùng nước sông 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 Ô 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 ô nhiễm môi trường nước đang được nhiều nhà khoa học quan tâm bởi nước sạch là nhu cầu thiết yếu của cuộc sống. Nước sinh hoạt bị ô nhiễm thường chứa các chất có 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 môi 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 công 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 phòng và Môi trường (2009), Thông 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. Hoàng 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 Công 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 Yêm, Đồng Kim Loan (2004), Giáo trình Công 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 Công 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 môi 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