Tài liệu Nghiên cứu và chế tạo thiết bị khử vi khuẩn sử dụng led cực tím

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ VŨ THẾ ĐẢNG NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ KHỬ VI KHUẨN SỬ DỤNG LED CỰC TÍM NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 605270 S KC 0 0 2 6 7 0 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2010 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ VŨ THẾ ĐẢNG NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ KHỬ VI KHUẨN SỬ DỤNG LED CỰC TÍM NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 60 52 70 Hướng dẫn khoa học: GVC. TS. NGUYỄN VĂN HIẾU Tp. Hồ Chí Minh, Tháng 11 năm 2010 LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: Vũ Thế Đảng Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 13/11/1984 Nơi sinh: Bắc Ninh Quê quán: Bắc Ninh Dân tộc: Kinh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 41/6 ấp Tân Hoà, xã Đông Hoà, huyện Dĩ An, Tỉnh Bình Dương Điện thoại cơ quan: Điện thoại nhà riêng: 098 446 2253 Fax: E-mail: [email protected] 0H II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Cao đẳng: Hệ đào tạo: Chính Qui Thời gian đào tạo từ 09/2002 đến 05/2005 Nơi học: Đại học Sư phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh Ngành học: Kỹ Thuật Điện – Điện Tử 2. Đại học: Hệ đào tạo: Chính Qui Thời gian đào tạo từ 09/2005 đến 05/2007 Nơi học (trường, thành phố): Đại học Sư phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh Ngành học: Kỹ Thuật Điện – Điện Tử Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: HỆ THỐNG XỬ LÝ THỰC ĐƠN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN TỪ XA BẰNG SÓNG VÔ TUYẾN Ngày & nơi bảo vệ đồ án tốt nghiệp: 07/2007 Tại Hội đồng chấm bảo vệ đồ án tốt nghiệp trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Thanh Bình III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Từ 6/2007 Trường Trung học Công Nghiệp Tp. Hồ Chí Minh Giáo viên giảng dạy chuyên ngành Điện tử Từ 9/2008 Trường Cao đẳng Nghề Công nghệ và Nông Lâm Giáo viên giảng dạy chuyên Nam Bộ ngành Điện - Điện tử -i- LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Tp. Hồ Chí Minh, ngày 01 tháng 11 năm 2010 (Ký tên và ghi rõ họ tên) -ii- LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn thạc sỹ này, em xin trân trọng cảm ơn quý thầy,cô đã tận tình giảng dạy, cung cấp kiến thức, tài liệu và hướng dẫn Luận văn. Trước hết, em bày tỏ lòng biết ơn đến GVC. TS. Nguyễn Văn Hiếu, Trưởng Khoa Điện tử Viễn thông, Trưởng bộ môn Vật lý-Điện tử, Trường ĐH Khoa học Tự Nhiên Tp. Hồ Chí Minh. Thầy đã hướng dẫn tận tình, dẫn dắt người nghiên cứu trong suốt đề tài, đã tạo điều kiện về kinh phí mua thiết bị và linh kiện để thực hiện đề tài, tham gia các hội nghị khoa học và hoàn chỉnh nội dung luận văn này. Em xin cảm ơn PGS. TS. Nguyễn Văn Sức, Trưởng Khoa Công nghệ Hoá và Thực phẩm, Trưởng bộ môn Công nghệ Môi trường, Giám đốc Trung tâm Kỹ thuật và Công nghệ môi trường, Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện về thiết bị, phòng thí nghiệm và tư vấn về phương pháp trong các thí nghiệm nuôi cấy kiểm nghiệm khả năng khử vi khuẩn của thiết bị. Sự hỗ trợ điều kiện khảo sát vi khuẩn và kiến thức chuyên ngành của Cô Nguyễn Phan Thúy Hiền (Trung tâm Kỹ thuật và Công nghệ Môi trường) đã giúp cho các thí nghiệm nuôi cấy và kiểm tra lượng vi khuẩn trước sau chiếu xạ được tiến hành nhanh chóng va đạt kết quả tốt. Các nội dung học phần cao học đã giúp em có đủ kiến thức và tay nghề hoàn tất luận văn, em cũng xin gửi lời các ơn đến các thầy,cô PGS.TS. Thái Bá Cần, PGS.TS. Đinh Sỹ Hiền, PGS.TS. Quyền Huy Ánh, PGS.TS. Phạm Hồng Liên, PGS.TS. Nguyễn Văn Nhờ, TS. Phan Hồng Phương, TS. Nguyễn Thanh Phương, TS. Trần Thu Hà, TS. Ngô Văn Thuyên, TS. Võ Thị Xuân, GVC. ThS. Nguyễn Việt Hùng, GVC. Ths. Trần Tiến Đức, ThS. Nguyễn Ngô Lâm và các thầy cô khác. Em cũng bày tỏ lòng biết ơn đến các thầy trong BCN Khoa Điện- Điện tử đã tạo điều kiện, theo dõi và bám sát tiến độ học tập và làm luận văn tốt nghiệp. Sự động viên, chia sẽ kinh nghiệm của tật thể lớp cao học Kỹ thuật Điện tử khoá 2008-2010 đã giúp tôi vượt qua những tháng ngày vất vả đèn sách. Cuối cùng, con xin cảm ơn ba mẹ và các thành viên trong gia đình đã dành nhiều tình cảm, động viên tinh thần, hỗ trợ tài chính cho quá trình học tập trong suốt 2 năm qua. Trân trọng cảm ơn tất cả từ đáy lòng của em. Vũ Thế Đảng -iii- TÓM TẮT LUẬN VĂN Ngày nay, nhân loại đang phải đương đầu với 3 vấn nạn toàn cầu trong sự phát triển. Thứ nhất, ô nhiễm không khí mà nhiều chất bẩn là hạt rắn, chất lỏng, hay gas trong không khí. Chúng làm hại con người và môi trường sống. Nó là sản phẩm của sự không cân bằng trong phát triển kinh tế nhanh mà không chú trọng môi trường. Vấn đề thứ 2, nguồn nước bị bẩn cùng là vấn nạn cho các quốc gia. Người ta tuyên doán rằng nó dẫn đến nguyên nhân chết và bệnh trên toàn thế giới của hơn 14 ngàn người mỗi ngày. Mặc khác, chúng ta sẽ cạn nguồn nước sạch trong vài thế kỷ tới nếu không có những giải pháp kịp thời. Ngộ đọc thực phẩm được xem là vấn nạn thứ 3. Chúng đến từ 2 nguyên nhân: lây nhiễu hay ngộ độc. Sự tồn tại của khuẩn va vi khuẩn trong thực phẩm hay bao gồm vi khuẩn tạo ra độc tố tất cả đều dẫn đến lây nhiễm. Các công nghệ xử lý nước và khử vi khuẩn trong nước đã có nhiều cải tiến tuy nhiên chúng vẫn có những hạn chế như: dùng hoá chất thì làm thay đổi mùi vị và để lại dư lượng hoá chất; dùng nhiệt thì làm thay đổi tính chất của vật khử; dùng ozone hiệu quả khử không cao, giá thành cao; dùng bức xạ cực tím với đèn thuỷ ngân áp suất thấp thì nguy hại cho người khi bị tia UV chiếu vào và phải xử lý thuỷ ngân khi đèn hỏng,... Nhằm góp phần đưa ra những giải pháp kỹ thuật ban đầu, tác giả đã thực hiện đề tài: “NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ KHỬ VI KHUẨN SỬ DỤNG LED CỰC TÍM”. Dựa trên những đặc tính nổi trội của của loại linh kiện UVLED so với đèn thuỷ ngân như: tuổi thọ cao; tiêu thụ công suất thấp, không gây nguy hiểm cho người, không chứa các chất thuỷ ngân, hay chì…. Với thời gian từ tháng 2/2010 đến tháng 8/2010, tác giả đã nghiên cứu mạch điều khiển dòng điện cho UVLED phát xạ tia tử ngoại với cường độ khác nhau. Mạch điều khiển trung tâm với nhiều tính năng nổi bật như: cho phép lựa chọn nhiều chế độ điều khiển: Auto hay Manual, Thiết bị cho phép giao giao tiếp với máy tính, điều khiển trực tiếp từ máy tính, cho phép cập nhật lịch sử chiếu xạ từ thiết bị lên máy tính xuất ra file Excel để người dùng thuận tiện cho việc thống -iv- kê. Việc điều khiển dòng qua UVLED được thực hiện bằng phương pháp điều rộng xung PWM. Phương pháp này giúp giảm nhiệt độ cho LED và Mosfet do chúng sẽ có thời gian nghỉ là Toff đồng thời khi xét tại một thời điểm tức thì thì cường độ dòng qua UVLED là cao nhất lên cường độ bức xạ cũng là cao nhất lên khả năng đâm xuyên qua môi trường chiếu là tối ưu nhất. Việc bố trí UVLED cũng là một yếu tố khá quan trọng quyết định khả năng khử vi khuẩn của thiết bị. Trong đề tài này, chúng tôi đã nghiên cứu các cơ sở lý thuyết, thông số kỹ thuật của UVLED và một số thực nghiệm của một số tác giả thực hiện trên LED ánh sáng trắng để đưa ra phương pháp tối ưu nhất sắp xếp UVLED để cường độ chiếu xạ đồng đều trên bề mặt phơi nhiễm. Sau cùng để chứng minh những nghiên cứu và các cơ sở lý thuyết đã đưa ra, chúng tôi đã thực hiện kiểm nghiệm khả năng khử vi khuẩn của thiết bị đã chế tạo. Từ các mẫu nước sinh hoạt lấy từ các địa điểm khác nhau, tác giả đã kiểm nghiệm khả năng diệt khuẩn của thiết bị khi thay đổi các thông số như: Thời gian chiếu; công suất chiếu; mật độ vi khuẩn; các nguồn nước khác nhau,… Các thí nghiệm này đã được thực hiện tại phòng thí nghiệm Công nghệ Môi trường,Trung tâm Kỹ thuật và CNMT của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM. Phương pháp thí nghiệm là kiểm tra số khuẩn lạc trước và sau chiếu xạ. Chúng được nuôi cấy trên đĩa petrifilm của hãng 3M và ủ trong điều kiện nhiệt độ 370C trong 18-24 giờ. Các kết quả thống kê được đã chứng minh khả năng khử vi khuẩn của thiết bị ở mức độ khác nhau ứng với thời gian chiếu, cường độ chiếu, mật độ vi khuẩn khác nhau. Với kết quả ban đầu này, nhóm tác giả có thể phát triển tiếp khi tăng số bóng UVLED, thực hiện các mạch công suất lớn để có dòng lớn, cải thiết hình thức khu vực gắn UVLED,… thì sản phẩm sẽ hoàn thiện. Nhóm tác rất mong được sự cộng tác nghiên cứu và bổ sung kinh nghiệm từ các nhà khoa học nhằm sớm đưa sản phẩm ra thị trường. Tp.HCM, tháng 10 năm 2010. Vũ Thế Đảng -v- SUMMARY OF THESIS Nowadays, human must in the face of three global problems in our developing process. Firstly, an air pollution that many substance are solid particles, liquid droplets, or gases in the air. They can cause harm to humans and the environment life. It is due to the product of the unbalance of quick growth of economic without mentioning environment. Secondly, water pollution is also major problem in the global context. It has been suggested that it is the leading worldwide cause of deaths and diseases and that it accounts for the deaths of more than 14,000 people daily. Moreover, we will be out of source of purity water in few centuries if we have no urgent solution. Food poisoning is seemed to be the third problem. They can come from two types of food poisoning: infectious agent and toxic agent. The presence of bacteria and other microbes in foods 1H or including bacterially produced exotoxins are all caused infection. Anyway, they become the social problem for not only who but also worldwide. Therefore, water treatment technologies in water and antibacterial activity was much improved but they still have limitations such as using chemicals to change the taste and leave residues of chemicals, heat is used to replace reduction in the properties of materials, use of ozone removal efficiency is not high, high cost, using ultraviolet radiation with low-pressure mercury lamps are highly efficient but hazardous for people when UV light shines on and must be treated when broken mercury lamps,…. To contribute some initial technical solution, we selected the title of master thesis with it name of " Survey and make the sterilizing device using Ultraviolet LEDs". Based on the outstanding features of the types of components UVLED than mercury lamps such as long life, low power consumption, no danger to people, do not contain mercury or lead, etc,.. For the period from February 2010 to August 2010, we studied the current control circuit for UVLED ultraviolet radiation with different intensities. Central controller with many features like to select multiple control modes: Auto or Manual, assigned to communicate with the computer, controlled directly from the computer, allowing irradiation update history from device to computer and output to Excel file -vi- to facilitate the users of statistics.The current through UVLED control is done by method of pulse width (PWM). This method reduces the temperature of the LED and MOSFET because they will have vacation time (Toff). Also, when considered at a time instant, the current intensity is the highest so UVLED radiation intensity is high should best penetration through the radiation environment is optimal. The arrangement of UVLED is a pretty important factor, it determines the ability of equipment to kill bacteria. In this project, we will explore the theoretical basis, technical parameters of UVLED and some of the experimental implementation of some authors on the white LED light to provide the best method to sort UVLED uniform intensity radiation exposure on the surface. Finally, to prove the research and theoretical grounds that the authors have made, we performed experiments to test the ability of bacteria built equipment. In some water samples taken from different sources. We tested the ability to kill bacteria when changing parameters such as irradiation time, irradiation power, bacterial density and different water resources,…. These experiments were conducted in the laboratory of Environmental Technology, the Centre for Technical and Environmental Technology, Hochiminh University Technical of Education. The testing method is to count the number of colonies before and after irradiation. We, were grew on disks petrifilm of 3M Company and fermented in temperature conditions of 370C in 18-24 hours. The results are statistically proven ability to kill bacteria in the device's different levels, corresponding to irradiation time, irradiation intensity and density of different bacteria. With obtained initial results, we can continue to develop this device in the case of the increasing number of UVLED, applied high current with power circuits, upgraded cover box for lamp,… that our produce is perfectly. We would like to get many precious advices from scientists and invest from industrial partner to put our product on the market soon. .Hochiminh City, Oct. 2010. Vu The Dang -vii- MỤC LỤC HÌNH Chương 1 Hình 1. 1: Cuộc cách mạng của hợp chất Nitride với lợi điểm của khe năng lượng rộng. ............................................................................................................... 2 Hình 1. 2: Cấu trúc của UVLED với giếng đa lượng tử của AlGaN-MQW cho phát quang 231-261 nm 276H[22]. ........................................................................ 4 Chương 2. Hình 2.1: Lý thuyết vùng năng lượng với 3 vùng năng lượng của điện tử..................... 12 Hình 2. 2: Các quá trình xảy ra giữa 2 vùng năng lượng. ............................................... 12 Hình 2. 3: Mô tả cấu trúc LED: (a) tiếp xúc mặt GaAs và (b) cơ chế phát sáng. ........... 13 Hình 2. 4: Mô tả nguyên lý phát xạ bước sóng cực tím của UV LED............................ 14 Hình 2. 5: Mô tả cấu trúc UVLED của 1 LED thương mại và phóng lớn phần cấu trúc MQWs cho bức xạ cực tím 292H[30]. ................................................. 15 Hình 2. 6: Phân loại sóng các điện từ theo khả xuyên sâu qua khí quyển, tên gọi, bước sóng kích thước tần số và nhiệt độ phát ra của sóng. ......................... 17 Hình 2. 7: Ảnh chụp bề mặt của UVLED ký hiệu SB1100 với bước sóng 365nm, dòng tối đa là 700mA, sử dụng điện thế 5V. ............................................... 19 Hình 2. 8: Mô tả cơ chế sinh sản của vi khuẩn. .............................................................. 19 Hình 2. 9: Mô tả cơ chế tạo ra dimer làm thay đổi cấu trúc ADN của vi khuẩn chống lại sự sinh sản do phân bào: (a,b) một số liên kết T=T hình thành khi bị UV tác dụng và (c) liên kết mới T^T được tạo nên. ................ 20 Hình 2. 10: Hình dạng một số vi khuẩn trong nước:(a) Salmonella hình ống dài, (b) E.coli hình trái chôm chôm và (c) Cholerae hình con giun 297H[01]. ..................................................................................................... 21 Hình 2. 11: Ảnh chụp hiển vi và tên gọi khoa học của loài E.coli 298H[37]. ................ 21 Hình 2. 12: Vi khuẩn E.coli: (a) cấu trúc cơ thể 299H[38] và (b) qui trình phân bào sinh sản 300H[39]. ................................................................................ 22 Hình 2. 13: Mô tả quá trình phân chia của vi khuẩn. ...................................................... 23 Hình 2. 14: Mô tả phương pháp pha loãng thập phân. ................................................... 25 -viii- Hình 2. 15: Mô tả qui trình đếm vi khuẩn trên mẫu: (a) môi trường MC (Mac Conkey agar) tạo khuẩn lạc màu đỏ hay hồng sáng, (b) môi trường BGA (Brillant Green Agar) có màu vàng xung quanh khuẩn lạc và (c) môi trường Indol tạo khuẩn lạc màu đỏ 301H[12]. ..................................... 25 Hình 2. 16. Phương pháp đếm khuẩn lạc xác định số lượng vi khuẩn E.coli 302H[12]. ..................................................................................................... 25 Hình 2. 17. Nuôi cấy vi khuẩn để xác định tỉ lệ diệt khuẩn 304H[14]. .......................... 28 Hình 2. 18: Các dụng cụ bằng thuỷ tinh được sử dụng trong xét nghiệm vi khuẩn. ...... 29 Hình 2. 19: Các loại cân tiểu li đơn vị đến một phần chục ngàn gram. .......................... 30 Chương 3. Hình 3. 1: Dòng UVLED phụ thuộc vào (a) đặc tuyến quan hệ giữa công suất chiếu xạ và (b) độ lệch bước sóng trung tâm 307H[15]. ............................. 33 Hình 3. 2: Quan hệ giữa điện áp AK và dòng điện phân cực thuận 308H[15]. .............. 33 Hình 3. 3: Quan hệ giữa cường độ bức xạ và góc phát của UVLED. ............................ 34 Hình 3. 4: Bước sóng phát xạ của một số UVLED. ....................................................... 34 Hình 3. 5: Sơ đồ mạch điều khiển điện áp UAK của UVLED bằng LM317. ................ 35 Hình 3. 6: Mạch điện công suất cho UVLED: (a) dùng PWM điều khiển công suất của UVLED và (b) các dạng xung của tín hiệu V, I và thời gian kích xung. ............................................................................................................ 36 Hình 3. 7: Các mạch bố trí hình dạng các LED khác nhau sẽ cho độ rọi khác nhau: (a) hình vuông lớn, (b) hình thoi nhỏ và dầy, (c) hình thoi nhỏ và thưa, (d) hình Ovan nhỏ, (e) theo hình Ovan lớn, (f) hình tròn và (g) hình chữ nhật lớn- nhỏ lồng nhau. ....................................................................... 37 Hình 3. 8: Đồ thị cường độ ánh sáng theo khoảng cách của các loại đèn 309H[02]. ..... 37 Hình 3. 9: Đồ thị cường độ sáng theo góc chiếu. ........................................................... 38 Hình 3. 10: Đồ thị mô tả độ rọi theo công suất từ 100% giảm còn 10%. ....................... 38 Hình 3. 11: Phân bố cường độ chiếu xạ của UVLED theo góc phát. ............................. 39 Hình 3. 12: Phương pháp bố trí LED để cường độ chiếu xạ trên bề mặt phơi nhiễm gần như bằng nhau. ........................................................................... 39 Hình 3. 13: Sơ đồ khối thiết bị diệt khuẩn dùng tia tử ngoại. ......................................... 40 -ix- Hình 3. 14: Tổng thể thiết bị diệt khuẩn sử dụng UVLED. ............................................ 42 Chương 4. Hình 4. 1: Qui trình thí nghiệm khử khuẩn dùng thiết bị chế tạo phát ra bước sóng cực tím. ........................................................................................................ 51 Hình 4. 2. Thiết bị đang chiếu tia UV vào mẫu nước : (a) Ống nghiệm thực hiện pha loãng vi khuẩn ; (b) Các khay chứa mẫu đem đi chiếu ; (c) (d)(e) Thiết bị đang thực hiện chiếu xạ. ................................................................. 52 Hình 4. 3. Thiết bị xét nghiệm:(a) Máy ủ khống chế nhiệt độ để nuôi cấy vi khuẩn; (b) máy tạo nước cất dùng trong pha loãng mẫu chiếu; (c) Máy đếm khuẩn lạc. ............................................................................................. 53 Hình 4.4: Đĩa Petrifilm trước sau chiếu với thời gian chiếu là 60 phút. ......................... 56 Hình 4. 5: Đĩa Petrifilm trước sau chiếu với thời gian chiếu là 180 phút. ...................... 56 Hình 4. 6: Quan hệ tỉ lệ diệt khuẩn và thời gian chiếu. .................................................. 57 Hình 4. 7: Đĩa Petrifilm mẫu vi khuẩn chiếu với thời gian 180 phút với mật độ pha loãng khác nhau (a) Mẫu ban đầu chưa chiếu (b) mẫu sau chiếu xạ với độ pha loãng 1/5 ban đầu; (c) Mẫu sau chiếu xạ với độ pha loãng 1/10 ban đầu. ................................................................................................ 58 Hình 4. 8: Đĩa Petrifilm trước sau chiếu xạ với mật độ vi khuẩn ban đầu khác nhau. (a) Mẫu ban dầu không chiếu UV; (b) Mẫu chiếu UV với độ pha loãng 1/10 ban đầu (c) Mẫu chiếu UV với độ pha loãng 1/100 ban đầu; (d) Mẫu chiếu UV với độ pha loãng 1/1000 ban đầu........................... 58 Hình 4. 9. So sánh tỉ lệ diệt khuẩn coliform với mật độ vi khuẫn với công suất chiếu 0.8w và thời gian chiếu là 180phút mẫu nước từ nguồn nước tù đọng sau mưa. .............................................................................................. 59 Hình 4. 10: Đĩa Petrifilm trước sau chiếu xạ với mật độ vi khuẩn ban đầu khác nhau. (a) Mẫu ban dầu không chiếu UV; (b) Mẫu chiếu UV với độ pha loãng 1/10 ban đầu; (c) Mẫu chiếu UV với độ pha loãng 1/100 ban đầu; (d) Mẫu chiếu UV với độ pha loãng 1/1000 ban đầu. ................... 60 -x- Hình 4. 11: So sánh tỉ lệ diệt khuẩn coliform và E.Coli với mật độ vi khuẩn với công suất chiếu 0.8w và thời gian chiếu là 180 phút mẫu nước từ nguồn nước thải sinh hoạt, nước chứa phân động vật. ................................ 60 Hình 4. 12: Đĩa Petrifilm trước sau chiếu xạ với mật độ vi khuẩn ban đầu khác nhau. (a) Mẫu ban dầu không chiếu UV; (b) Mẫu chiếu UV với độ pha loãng 1/100 ban đầu. ............................................................................. 61 Hình 4. 13: Đĩa Petrifilm trước sau chiếu xạ với mật độ vi khuẩn ban đầu khác nhau. (a) Mẫu ban dầu không chiếu UV; (b) Mẫu chiếu UV với độ pha loãng 1/10 ban đầu (c) Mẫu chiếu UV với độ pha loãng 1/100 ban đầu. ............................................................................................................... 62 Hình 4. 14: So sánh tỉ lệ diệt khuẩn coliform và E.Coli với mật độ vi khuẩn với công suất chiếu 0.72w và thời gian chiếu là 180 phút mẫu nước từ nguồn nước thải sinh hoạt, nước chức phân động vật. ................................ 62 Hình 4. 15: Đĩa Petrifilm trước sau chiếu xạ với mật độ pha loãng khác nhau công suất chiếu là 0.64W. ..................................................................................... 63 Hình 4. 16: So sánh tỉ lệ diệt khuẩn coliform và E.Coli với mật độ vi khuẩn với công suất chiếu 0.64w và thời gian chiếu là 180 phút mẫu nước từ nguồn nước thải sinh hoạt, nước chức phân động vật. ................................ 64 Hình 4. 17. Quan hệ tỉ lệ diệt khuẩn và công suất chiếu với mật độ vi khuẩn hàng chục ngàn CFU/ml. ...................................................................................... 64 Hình 4. 18: Quan hệ tỉ lệ diệt khuẩn và công suất chiếu với mật độ vi khuẩn hàng ngàn CFU/ml................................................................................................ 65 Hình 4. 19: Quan hệ tỉ lệ diệt khuẩn và công suất chiếu với mật độ vi khuẩn hàng trăm CFU/ml. ............................................................................................... 65 Hình 4. 20. So sánh sự khác biệt về khả năng diệt khuẩn giữa các nguồn nước khác nhau. .................................................................................................... 66 -xi- MỤC LỤC BẢNG Chương 1. Bảng 1. 1: So sánh các phương pháp diệt khuẩn khác nhau. ............................................ 7 Bảng 1. 2: So sánh UVLED và đèn thuỷ ngân áp suất thấp. ............................................ 8 Chương 2 Bảng 2. 1: Phân loại tia cực tím theo tiêu chuẩn ISO-DIS-21348 294H[36] ................ .17 Bảng 2. 2: Phần trăm năng lượng khử trùng của tia UV bị hấp thụ với những độ sâu khác nhau 303H[13]. ............................................................................. 26 Chương 3. Bảng 3. 1: Tham số quang và điện của UVLED SB1100UV-365 305H[15]. ................ 32 Bảng 3. 2: Các tham số nhiệt độ của UVLED khi hoạt động ứng với dòng cực đại cho phép 306H[15]. ..................................................................................... 32 Chương 4. Bảng 4. 1: Kết quả xét nghiệm mẫu nước sinh hoạt ký hiệu N1 và N2 được liệt kê các nội dung chính. ...................................................................................... 55 Bảng 4. 2: Bảng thống kê kết quả các mẫu thể hiện quan hệ lượng vi khuẩn trước sau chiếu với mật độ vi khuẩn khác nhau thực hiện ngày 2/10/2010 công suất chiếu 0,8W. .................................................................................. 57 Bảng 4. 3: Bảng thống kê kết quả các mẫu thể hiện quan hệ lượng vi khuẩn trước sau chiếu với mật độ vi khuẩn khác nhau thực hiện ngày 6/10/2010 công suất chiếu 0,8W. .................................................................................. 58 Bảng 4. 4. Tổng hợp tỉ lệ diệt khuẩn các kết quả chiếu xạ với mật độ ban đầu khác nhau:............................................................................................................. 59 Bảng 4. 5: Bảng thống kê kết quả các mẫu thể hiện quan hệ lượng vi khuẩn trước sau chiếu với mật độ vi khuẩn khác nhau thực hiện ngày 11/10/2010 công suất chiếu 0,8W. .................................................................................. 59 Bảng 4. 6: Tổng hợp tỉ lệ diệt khuẩn các kết quả chiếu xạ với mật độ ban đầu khác nhau:............................................................................................................. 60 -xii- Bảng 4. 7: Bảng thống kê kết quả các mẫu thể hiện quan hệ lượng vi khuẩn trước sau chiếu với mật độ vi khuẩn khác nhau thực hiện ngày 6/10/2010 công suất chiếu 0,72W. ................................................................................ 61 Bảng 4. 8: Bảng thống kê kết quả các mẫu thể hiện quan hệ lượng vi khuẩn trước sau chiếu với mật độ vi khuẩn khác nhau thực hiện ngày 7/10/2010 công suất chiếu 0,72W. ................................................................................ 61 Bảng 4. 9: Tổng hợp tỉ lệ diệt khuẩn các kết quả chiếu xạ với mật độ ban đầu khác nhau:............................................................................................................. 62 Bảng 4. 10: Thống kê kết quả chiếu xạ với công suất chiếu 0.64W thời gian chiếu 180 phút. ...................................................................................................... 63 Bảng 4. 11: Thời gian diệt vi khuẩn tương quan với số lượng UVLED của thiết bị. Với mẫu nước dùng trong sinh hoạt, nước ngầm. Có mật độ vi khuẩn thấp và tạp chất ít; Khoảng cách đèn với mẫu chiếu 1cm (công suất trên 1 đơn vị diện tích 2,584mW/cm2) ........................................................ 66 -xiii- DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ADN Acid phosphoric, Deoxybose, Nitrogennous base CFU Colony-Forming Unit EUV Extreme Ultraviolet FUV Far Ultraviolet MCU Micro Control Unit MQW Multi Quantum Well MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor MUV Middle Ultraviolet NUV Near Ultraviolet PWM Pulse Width Modulation LCD Liquid Crystal Display LED Light Emitting Diode UV Ultraviolet UV LED Ultraviolet Light Emitting Diode VUV Vacuum UltraViolet -xiv- MỤC LỤC MỤC LỤC HÌNH .............................................................................................. viii MỤC LỤC BẢNG .............................................................................................. xii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .................................................................. xiv MỤC LỤC ........................................................................................................... xv Chương 1. TỔNG QUAN .................................................................................... 1 1.1. Các nghiên cứu về LED/UVLED hiện nay: ................................................ 1 1.2. Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài ........................................................ 6 1.3. Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn của đề tài: ................................................ 8 1.3.1. Nhiệm vụ của đề tài: ....................................................................................... 8 1.3.2. Giới hạn đề tài:................................................................................................ 9 1.4. Phương pháp nghiên cứu: ............................................................................ 9 1.4.1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: ................................................................ 9 1.4.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: .......................................................... 9 1.4.3. Phương pháp thống kê toán học đơn giản: ................................................... 10 1.5. Dự kiến kết quả đạt được .......................................................................... 10 1.6. Kế hoạch đã thực hiện đề tài ..................................................................... 11 Chương 2. GIỚI THIỆU VỀ UVLED VÀ KHỬ TRÙNG ............................. 12 2.1. Cơ sở lý thuyết về cấu trúc LED ............................................................... 12 2.1.1. Cơ chế phát xạ .............................................................................................. 12 2.1.2. Đặc tuyến I-Vcủa diode ................................................................................ 13 2.1.3. Diode phát xạ cực tím ................................................................................... 14 2.1.4. Hiệu suất phát xạ........................................................................................... 15 2.2. Phân loại và ứng dụng bức xạ tử ngoại ( UV) .......................................... 16 2.2.1. Phân loại ....................................................................................................... 16 2.2.2. Nguồn phát tia tử ngoại ................................................................................ 18 2.2.3. Cơ chế diệt khuẩn của tia tử ngoại................................................................ 19 2.3. Nước sinh hoạt và vi sinh vật .................................................................... 20 -xv- 2.3.1. Các vi khuẩn, vi rút trong nước .............................................................. 20 2.3.2. Thuộc tính của vi khuẩn E.Coli .............................................................. 21 2.3.3. Sinh trưởng của vi sinh vật ..................................................................... 23 2.4. Qui trình xét nghiệm và khảo sát............................................................... 24 2.4.1. Qui trình xét nghiệm............................................................................... 24 2.4.2. Khảo sát các tính chất và môi trường ..................................................... 26 Độ hấp thụ tia tử ngoại của các môi trường khác nhau .................................... 26 Cường độ chiếu xạ ............................................................................................ 27 Tỉ lệ diệt khuẩn ................................................................................................. 27 2.4.3. Dụng cụ thiết bị và hóa chất ................................................................... 29 2.4.4. An toàn trong xét nghiệm vi sinh ........................................................... 30 Chương 3. THIẾT KẾ THIẾT BỊ KHỬ VI KHUẨN SỬ DỤNG UVLED ................................................................................................................ 32 3.1. Thông số kỹ thuật của UVLED SB1100UV-365nm ................................ 32 3.1.1. Tính chất quang ............................................................................................ 32 3.1.2. Các thông số cực đại khi hoạt động .............................................................. 32 3.1.3. Các biểu đồ thuộc tính của UVLED ............................................................. 33 3.1.4. Phổ bước sóng phát xạ UV của LED ............................................................ 34 3.2. Phương pháp điều khiển công suất chiếu xạ ............................................. 35 3.2.1. Điều khiển dòng bằng thay đổi áp trên UAK ................................................. 35 3.2.2. Điều khiển dòng bằng thay đổi độ rộng xung (PWM) ................................ 36 3.3. Bố trí UVLED cho bức xạ cực đại ............................................................ 37 3.3.1. Thực nghiêm với LED ánh sáng trắng .......................................................... 37 3.3.2. Cơ sở quang học bố trí UVLED ................................................................... 39 3.4. Thiết kế mạch điều khiển .......................................................................... 40 3.4.1. Sơ đồ khối hệ thống ...................................................................................... 40 3.4.2. Mô tả chức năng và thiết kế các khối ........................................................... 40 3.5. Chương trình điều khiển ............................................................................ 44 3.5.1. Điều khiển qua phím chức năng ................................................................... 45 3.5.2. Giao tiếp và điều khiển qua PC .................................................................... 46 -xvi- Chương 4. KHẢO SÁT KHẢ NĂNG KHỬ VI KHUẨN CỦA THIẾT BỊ CHẾ TẠO ...................................................................................................... 51 4.1. Khử vi khuẩn trong nước sinh hoạt bằng thiết bị chế tạo: ........................ 51 4.1.1. Qui trình ........................................................................................................ 51 4.1.2. Các kết quả ban đầu khảo sát ........................................................................ 53 4.2. Nhận xét và đánh giá ................................................................................. 67 4.2.1. Qui trình chiếu .............................................................................................. 67 4.2.2. Thời gian chiếu, hiệu suất chiếu, tỉ lệ diệt 2 loại vi khuẩn .......................... 68 4.2.3. Thiết bị, số LED............................................................................................ 69 4.2.4. Giá thành, khả năng ứng dụng thực tế .......................................................... 70 Chương 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN..................................... 72 5.1. Kết quả đề tài đã thực hiện: ....................................................................... 72 5.1.1. Phần mạch ..................................................................................................... 72 5.1.2. Phần điều khiển ............................................................................................. 73 5.1.3. Quy trình xét nghiệm .................................................................................... 73 5.1.4. Kết quả xét nghiệm ....................................................................................... 75 5.2. Khả năng triển khai thực tế ....................................................................... 76 5.2.1. Nguồn linh kiện, yêu cầu kỹ thuật lắp ráp .................................................... 76 5.2.2. Giá thành ....................................................................................................... 77 5.2.3. Thị trường tiêu thụ ........................................................................................ 77 5.2.4. Đề xuất qui trình xử lý nước uống đóng chai, bình. ..................................... 77 5.3. Những tồn đọng và định hướng phát triển ................................................ 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 81 TIẾNG VIỆT .................................................................................................... 81 TIẾNG NƯỚC NGOÀI.................................................................................... 81 CÁC WEBSITE................................................................................................ 84 PHỤ LỤC ............................................................................................................ 86 -xvii- CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Các nghiên cứu về LED/UVLED hiện nay: Diode phát quang (Light Emitting Diode, LED) là loại diode có khả năng phát ra ánh sáng. LED được cấu tạo từ 2 loại bán dẫn loại p và loại n được phát hiện vào năm 1907 bởi H. J. Round (người Anh). Hoạt động của LED giống như nhiều loại diode bán dẫn dựa vào cơ chế chuyển dời các điện tử sang lỗ trống để hình thành nguyên tử trung hòa tại vùng tiếp giáp P-N. Quá trình này giải phóng năng lượng dưới dạng bức xạ điện từ với bước sóng ánh sáng xác định. Năm 1962, đèn LED thực tế đầu tiên được phát minh bởi Nick Holonyak, Jr tại công ty General Electric. Đầu tiên đèn LED màu đỏ được đưa ra trị trường và được sử dụng phổ biến ở nhiều nơi cho việc hiển thị thông tin ở dạng là 7 đoạn. Các LED này cũng được lắp vào thiết bị trong các phòng thí nghiệm hiện đại. Sau đó, chúng được dùng cho tivi, radio, điện thoại, máy tính và các thiết bị chiếu sáng khác. Tuy nhiên, các đèn LED đỏ chỉ đủ sáng cho người dùng hay phạm vi hẹp. Sau đó, công nghệ chế tạo LED đã phát triển nhanh đáp ứng nhu cầu về nhiều loại màu sắc khác nhau trong hiển thị, quảng cáo, chiếu sáng,.... trong vùng khả kiến. Các LED phát ra các bước sóng hồng ngoại, X-ray,... mới được phát hiện gần đây mà đặc biệt là bước sóng tử ngoại (Ultraviolet, UV) cũng có tiềm năng trong lĩnh vực y sinh. -1-