Đánh giá khả năng khử trùng nước sinh hoạt và ăn uống của nano Ag/Silica tại Đại học Quốc gia Hà Nội

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu nghiên cứu đánh giá khả năng khử trùng nước sinh hoạt và ăn uống của nano ag silica, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện pháp hoàn

• Tác giả: Nguyễn Thị Quy
• Người hướng dẫn: PGS. Đồng Kim Loan
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Khoa học môi trường
• Đề tài: Khả Năng Khử Trùng Nước Của Nano Ag/Silica
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CÁM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: Vật liệu nano Ag/silica
• 1.1. Tổng quan về nano Ag và silica
• 1.1.1. Nano bạc
• MỞ ĐẦU
• 2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Đối tượng, phạm vi và mục tiêu nghiên cứu
• 2.1.1. Đối tượng nghiên cứu
• 2.1.2. Phạm vi nghiên cứu
• 2.1.3. Mục tiêu nghiên cứu
• 2.2. Dụng cụ và hóa chất, thiết bị
• 2.3. Phương pháp nghiên cứu
• 2.3.1. Phương pháp tổng quan tài liệu
• 2.3.2. Phương pháp nghiên cứu trong phòng thí nghiệm
• 2.3.3. Phương pháp đánh giá đặc trưng tính chất của vật liệu
• 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Tổng hợp vật liệu nano Ag/silica
• 3.1.1. Cấu trúc vật liệu silica
• 3.1.2. Nghiên cứu đặc trưng hình thái của vật liệu nano Ag/silica tổng hợp được
• 3.1.3. Hiệu suất gắn nano bạc lên silica
• 3.2. Nghiên cứu khả năng khử trùng của vật liệu theo phương pháp tĩnh
• 3.3. So sánh khả năng khử trùng của hai vật liệu silica và nano Ag/silica
• 3.4. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc đến hiệu quả khử trùng
• 3.5. Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ rắn/lỏng đến hiệu quả khử trùng
• 3.6. Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố đến khả năng diệt khuẩn của vật liệu theo phương pháp động
• 3.6.1. Ảnh hưởng của chiều cao lớp vật liệu lọc
• 3.6.2. Ảnh hưởng của tốc độ dòng
• 3.6.3. Ảnh hưởng của chất hữu cơ đến khả năng khử trùng
• 3.6.4. Ảnh hưởng của một số ion phổ biến trong nước sinh hoạt
• 3.7. Khảo sát khả năng khử trùng của vật liệu nano Ag/silica với mẫu thực
• 3.8. Hiệu quả khử trùng đối với nước cấp
• 3.9. Đánh giá tính an toàn của vật liệu
• 3.10. Tính toán chi phí sản xuất vật liệu
• 4. KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về khả năng khử trùng nước bằng nano Ag Silica

Khả năng khử trùng nước là một vấn đề quan trọng trong bảo vệ sức khỏe cộng đồng. Nước sạch không chỉ là nhu cầu thiết yếu mà còn là quyền cơ bản của con người. Trong bối cảnh ô nhiễm nguồn nước ngày càng gia tăng, việc tìm kiếm các phương pháp khử trùng hiệu quả là rất cần thiết. Nano Ag/Silica đã nổi lên như một giải pháp tiềm năng nhờ vào tính năng kháng khuẩn vượt trội của nó. Nghiên cứu này sẽ đánh giá khả năng khử trùng nước sinh hoạt và ăn uống của vật liệu này.

1.1. Ứng dụng của nano Ag Silica trong khử trùng nước

Nano Ag/Silica được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ y tế đến nông nghiệp. Với khả năng diệt khuẩn cao, vật liệu này giúp bảo vệ sức khỏe con người và môi trường. Nghiên cứu cho thấy nano bạc có thể tiêu diệt hơn 650 chủng vi khuẩn gây bệnh, làm cho nó trở thành một lựa chọn lý tưởng cho việc khử trùng nước.

1.2. Tính chất của nano bạc và silica

Nano bạc có tính chất quang học và khả năng dẫn điện cao, trong khi silica có cấu trúc lỗ xốp phát triển, giúp hấp phụ các chất ô nhiễm. Sự kết hợp giữa hai vật liệu này tạo ra một hệ thống khử trùng hiệu quả, có thể xử lý nước ô nhiễm một cách an toàn và hiệu quả.

II. Vấn đề ô nhiễm nước và thách thức trong khử trùng

Ô nhiễm nước là một trong những vấn đề nghiêm trọng nhất hiện nay, ảnh hưởng đến sức khỏe con người và hệ sinh thái. Các vi sinh vật gây bệnh thường có mặt trong nguồn nước, dẫn đến nhiều bệnh tật. Việc khử trùng nước bằng các phương pháp truyền thống như clo và ozon vẫn còn nhiều hạn chế, như tạo ra các sản phẩm phụ độc hại. Do đó, cần có những giải pháp mới và hiệu quả hơn.

2.1. Các vi sinh vật gây bệnh trong nước

Nước ô nhiễm thường chứa nhiều vi sinh vật gây bệnh như E. coli, Salmonella và Giardia. Những vi sinh vật này có thể gây ra các bệnh tiêu chảy, nhiễm trùng đường ruột và nhiều bệnh khác. Việc phát hiện và khử trùng chúng là rất quan trọng để bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

2.2. Hạn chế của các phương pháp khử trùng truyền thống

Các phương pháp khử trùng truyền thống như clo và ozon có thể tạo ra các hợp chất độc hại, gây ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Hơn nữa, một số vi sinh vật vẫn có thể sống sót sau quá trình khử trùng, dẫn đến nguy cơ tái nhiễm. Do đó, cần tìm kiếm các phương pháp khử trùng an toàn và hiệu quả hơn.

III. Phương pháp tổng hợp nano Ag Silica hiệu quả

Việc tổng hợp nano Ag/Silica là một bước quan trọng trong nghiên cứu khả năng khử trùng nước. Có nhiều phương pháp khác nhau để tổng hợp vật liệu này, mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Nghiên cứu sẽ tập trung vào các phương pháp tổng hợp phổ biến và hiệu quả nhất.

3.1. Phương pháp hóa học trong tổng hợp nano Ag Silica

Phương pháp hóa học là một trong những cách phổ biến nhất để tổng hợp nano Ag/Silica. Phương pháp này cho phép kiểm soát kích thước và hình dạng của hạt nano, từ đó tối ưu hóa khả năng khử trùng của vật liệu.

3.2. Phương pháp vật lý trong tổng hợp nano Ag Silica

Phương pháp vật lý cũng được sử dụng để tổng hợp nano Ag/Silica. Phương pháp này thường tạo ra các hạt nano có kích thước đồng đều và tính chất ổn định. Tuy nhiên, chi phí và điều kiện thực hiện có thể cao hơn so với phương pháp hóa học.

IV. Hiệu quả khử trùng của nano Ag Silica trong thực tiễn

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng nano Ag/Silica có khả năng khử trùng nước rất hiệu quả. Các thí nghiệm cho thấy vật liệu này có thể tiêu diệt hầu hết các vi sinh vật gây bệnh trong nước, từ đó đảm bảo an toàn cho sức khỏe con người. Kết quả nghiên cứu sẽ được trình bày chi tiết trong phần này.

4.1. Kết quả thí nghiệm khử trùng nước

Các thí nghiệm cho thấy nano Ag/Silica có khả năng tiêu diệt đến 99% vi sinh vật trong nước sau một thời gian tiếp xúc ngắn. Điều này chứng tỏ hiệu quả vượt trội của vật liệu này trong việc khử trùng nước sinh hoạt và ăn uống.

4.2. Ứng dụng thực tiễn của nano Ag Silica

Nano Ag/Silica không chỉ được ứng dụng trong khử trùng nước mà còn có thể được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác như y tế, nông nghiệp và công nghiệp. Việc phát triển và ứng dụng vật liệu này sẽ mang lại nhiều lợi ích cho cộng đồng.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nano Ag Silica

Khả năng khử trùng nước của nano Ag/Silica đã được chứng minh qua nhiều nghiên cứu. Vật liệu này không chỉ hiệu quả mà còn an toàn cho sức khỏe con người. Trong tương lai, việc nghiên cứu và phát triển nano Ag/Silica sẽ mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực khử trùng nước và bảo vệ môi trường.

5.1. Tương lai của nghiên cứu nano Ag Silica

Nghiên cứu về nano Ag/Silica sẽ tiếp tục được mở rộng, với mục tiêu phát triển các phương pháp tổng hợp hiệu quả hơn và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Điều này sẽ góp phần nâng cao chất lượng nước và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

5.2. Khuyến nghị cho nghiên cứu và ứng dụng

Cần có thêm nhiều nghiên cứu để đánh giá hiệu quả lâu dài của nano Ag/Silica trong khử trùng nước. Đồng thời, việc phát triển các sản phẩm từ vật liệu này cần được thực hiện một cách cẩn thận để đảm bảo an toàn cho người sử dụng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Nước sạch là yếu tố thiết yếu cho sức khỏe và sự phát triển bền vững của con người. Theo ước tính, hàng năm trên thế giới có hơn ba triệu người tử vong do các bệnh liên quan đến nước, trong đó gần hai triệu người chết vì các bệnh tiêu chảy do uống nước nhiễm bẩn và điều kiện vệ sinh kém. Tại Việt Nam, việc ô nhiễm vi sinh vật trong nước sinh hoạt vẫn là vấn đề nghiêm trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe cộng đồng. Các phương pháp khử trùng nước truyền thống như clo, ozon, tia cực tím (UV) và đun sôi đều có những hạn chế nhất định như tạo hợp chất phụ độc hại, tồn dư hóa chất hoặc không tiêu diệt triệt để vi sinh vật.

Trong bối cảnh đó, vật liệu nano bạc (Ag) mang trên silica (SiO2) được nghiên cứu như một giải pháp khử trùng nước thân thiện với môi trường, hiệu quả cao và an toàn cho sức khỏe con người. Nano bạc có diện tích bề mặt lớn, khả năng giải phóng ion bạc từ từ, giúp tăng cường hiệu quả diệt khuẩn và kéo dài thời gian hoạt động. Luận văn tập trung tổng hợp và đánh giá khả năng khử trùng nước sinh hoạt và ăn uống của vật liệu nano Ag/silica, khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố môi trường như chất hữu cơ và ion phổ biến trong nước, đồng thời thử nghiệm trên mẫu nước thực tế tại Hà Nội. Nghiên cứu có phạm vi thực hiện trong phòng thí nghiệm của Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, năm 2017. Kết quả nghiên cứu góp phần phát triển công nghệ xử lý nước sạch hiệu quả, phù hợp với điều kiện Việt Nam, đặc biệt cho các vùng khó khăn về nguồn nước.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: tính chất và cơ chế diệt khuẩn của nano bạc, cùng đặc tính vật liệu silica làm chất mang nano bạc.

1. Nano bạc (Ag): Là vật liệu có tính kháng khuẩn cao nhờ khả năng giải phóng ion Ag+ có tác dụng ức chế enzym vận chuyển oxy, phá hủy màng tế bào vi khuẩn và gây tổn thương ADN. Ion bạc tương tác tĩnh điện với màng tế bào vi khuẩn mang điện tích âm, làm gián đoạn chức năng thẩm thấu và hô hấp, dẫn đến tiêu diệt vi khuẩn. Nano bạc có diện tích bề mặt lớn, tăng hiệu quả tiếp xúc và giải phóng ion bạc từ từ, giúp duy trì hoạt tính kháng khuẩn lâu dài.

2. Silica (SiO2): Là vật liệu có cấu trúc mạng lưới ba chiều, bề mặt xốp với diện tích riêng lớn (khoảng 238,6 m²/g trong nghiên cứu), thể tích lỗ xốp 0,328 cm³/g và đường kính mao quản 5,65 nm. Silica có tính trơ về mặt hóa học, chịu nhiệt cao và dễ dàng chức năng hóa bề mặt để gắn các nhóm amin, tạo điều kiện cho việc cố định nano bạc hiệu quả.

3. Cơ chế tổng hợp nano Ag/silica: Sử dụng phương pháp khử hóa học trực tiếp ion bạc (AgNO3) trên bề mặt silica đã được chức năng hóa bằng amin (3-APTES), với chất khử mạnh NaBH4. Quá trình này tạo ra các hạt nano bạc đồng đều, bám chắc trên bề mặt silica, đảm bảo hiệu suất gắn bạc lên đến 90%.

4. Khả năng khử trùng nước: Đánh giá dựa trên việc giảm số lượng coliforms trong mẫu nước thử nghiệm, sử dụng phương pháp đếm khuẩn lạc trên màng lọc và môi trường thạch Endo. Coliforms được chọn làm vi sinh vật chỉ thị ô nhiễm vi sinh trong nước theo tiêu chuẩn quốc gia.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu sử dụng mẫu nước giả định pha từ nước sông Kim Ngưu và nước cấp sinh hoạt tại Hà Nội. Vật liệu nano Ag/silica được tổng hợp trong phòng thí nghiệm của Trường Đại học Khoa học Tự nhiên.

• Phương pháp tổng hợp: Silica được chức năng hóa bằng 3-APTES, sau đó ngâm trong dung dịch AgNO3 10g/l, khuấy đều 15 phút, tiếp theo nhỏ từ từ dung dịch NaBH4 1% để khử ion bạc thành nano bạc. Vật liệu được rửa sạch và sấy khô ở 50°C trong 5 giờ.

• Phương pháp đánh giá: Khả năng khử trùng được khảo sát theo hai phương pháp:

  • Phương pháp tĩnh: Đánh giá ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc (10-60 giây) và tỷ lệ rắn/lỏng đến hiệu quả diệt khuẩn.
  • Phương pháp động: Khảo sát ảnh hưởng của chiều cao cột vật liệu, tốc độ dòng, hàm lượng chất hữu cơ và các ion phổ biến trong nước đến hiệu quả khử trùng.

• Phân tích vi sinh: Sử dụng phương pháp đếm khuẩn lạc trên màng lọc với môi trường thạch Endo để định lượng coliforms. Mẫu nước được lọc qua màng lọc 0,22 µm, ủ ở 35-37°C trong 24 giờ, đếm khuẩn lạc màu đỏ hồng có ánh kim.

• Đặc trưng vật liệu: Sử dụng kính hiển vi điện tử quét (SEM) để quan sát hình thái bề mặt, phổ UV-VIS để xác định sự hiện diện của nano bạc qua đỉnh hấp thụ plasmon ở 400 nm, phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) để xác định hàm lượng bạc, và phương pháp BET để đo diện tích bề mặt và kích thước lỗ mao quản.

• Phân tích ion bạc trong nước: Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) được dùng để đo nồng độ ion bạc giải phóng trong nước sau quá trình khử trùng.

• Timeline nghiên cứu: Tổng hợp và đánh giá vật liệu trong phòng thí nghiệm kéo dài khoảng 6 tháng, bao gồm tổng hợp vật liệu, khảo sát các yếu tố ảnh hưởng và thử nghiệm trên mẫu nước thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Đặc trưng vật liệu nano Ag/silica:

   • Diện tích bề mặt riêng của silica đạt 238,6 m²/g, thể tích lỗ xốp 0,328 cm³/g, đường kính mao quản 5,65 nm.
   • Phổ UV-VIS cho thấy đỉnh hấp thụ plasmon rõ ràng tại 400 nm, chứng tỏ sự hiện diện của các hạt nano bạc đồng đều.
   • Ảnh SEM cho thấy bề mặt silica trở nên xốp hơn sau khi gắn nano bạc, với các hạt bạc phân bố đều.
   • Hiệu suất gắn bạc lên silica đạt khoảng 90%, với hàm lượng bạc thực tế 180 ppm.

2. Khả năng khử trùng so sánh giữa silica và nano Ag/silica:

   • Sau 2 phút tiếp xúc, nano Ag/silica giảm số lượng coliforms từ 218 xuống còn 18 khuẩn lạc/100 ml, tương đương hiệu quả khử trùng 91,7%.
   • Silica nguyên bản chỉ giảm số khuẩn lạc xuống 196/100 ml, hiệu quả khoảng 10,1%.
   • Như vậy, nano Ag/silica có hiệu quả khử trùng gấp gần 9 lần so với silica nền.

3. Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc:

   • Hiệu quả khử trùng tăng nhanh theo thời gian, đạt trên 90% chỉ sau 50 giây tiếp xúc.
   • Thời gian tiếp xúc càng dài, số lượng coliforms càng giảm mạnh, minh chứng cho khả năng diệt khuẩn nhanh và hiệu quả của vật liệu.

4. Ảnh hưởng của các yếu tố môi trường (theo phương pháp động):

   • Chiều cao cột vật liệu và tốc độ dòng nước ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả khử trùng, với chiều cao cột lớn và tốc độ dòng thấp giúp tăng hiệu quả.
   • Chất hữu cơ và một số ion phổ biến trong nước có thể làm giảm hiệu quả khử trùng do tương tác với ion bạc.
   • Tuy nhiên, vật liệu nano Ag/silica vẫn duy trì khả năng diệt khuẩn tốt trong điều kiện nước thực tế.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy vật liệu nano Ag/silica tổng hợp bằng phương pháp khử hóa học trực tiếp có cấu trúc nano bạc đồng đều, bám chắc trên bề mặt silica với hiệu suất cao. Diện tích bề mặt lớn và cấu trúc xốp của silica tạo điều kiện thuận lợi cho việc hấp phụ và giải phóng ion bạc từ từ, giúp tăng cường hiệu quả diệt khuẩn.

So với silica nguyên bản, nano Ag/silica thể hiện khả năng khử trùng vượt trội, giảm hơn 90% số lượng coliforms trong thời gian ngắn. Điều này phù hợp với cơ chế diệt khuẩn của ion bạc tác động lên màng tế bào vi khuẩn, ức chế enzym vận chuyển oxy và phá hủy ADN. Thời gian tiếp xúc ngắn cũng cho thấy vật liệu có thể ứng dụng hiệu quả trong các hệ thống lọc nước sinh hoạt.

Ảnh hưởng của các yếu tố môi trường như chất hữu cơ và ion phổ biến là thách thức trong ứng dụng thực tế, tuy nhiên vật liệu vẫn duy trì hiệu quả đáng kể. So sánh với các phương pháp khử trùng truyền thống như clo, ozon hay UV, nano Ag/silica không tạo hợp chất phụ độc hại, không cần dùng điện và vận hành đơn giản, phù hợp với điều kiện vùng sâu vùng xa.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ đường đẳng nhiệt BET, phổ UV-VIS, ảnh SEM, biểu đồ giảm số lượng coliforms theo thời gian tiếp xúc và bảng so sánh hiệu quả khử trùng giữa các vật liệu, giúp minh họa rõ ràng các phát hiện.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Ứng dụng vật liệu nano Ag/silica trong hệ thống lọc nước sinh hoạt: Triển khai sử dụng cột lọc chứa vật liệu nano Ag/silica tại các hộ gia đình và khu vực công cộng nhằm nâng cao chất lượng nước uống, giảm thiểu nguy cơ ô nhiễm vi sinh. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng. Chủ thể thực hiện: các cơ quan quản lý môi trường và doanh nghiệp công nghệ.

2. Nâng cao quy trình tổng hợp vật liệu: Tối ưu hóa quy trình tổng hợp nano Ag/silica để tăng hiệu suất gắn bạc, giảm chi phí sản xuất và đảm bảo tính ổn định của vật liệu trong điều kiện thực tế. Thời gian: 12 tháng. Chủ thể: các viện nghiên cứu và doanh nghiệp sản xuất vật liệu.

3. Khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố môi trường: Tiếp tục nghiên cứu ảnh hưởng của các ion và chất hữu cơ trong nước đến hiệu quả khử trùng, từ đó đề xuất các biện pháp xử lý tiền xử lý nước trước khi lọc. Thời gian: 6 tháng. Chủ thể: các trung tâm nghiên cứu môi trường.

4. Đánh giá an toàn và tác động môi trường: Thực hiện các nghiên cứu đánh giá mức độ giải phóng ion bạc trong nước sau xử lý, đảm bảo không vượt quá ngưỡng an toàn cho sức khỏe người dùng. Thời gian: 6 tháng. Chủ thể: cơ quan quản lý y tế và môi trường.

5. Đào tạo và nâng cao nhận thức cộng đồng: Tổ chức các chương trình đào tạo, tuyên truyền về lợi ích và cách sử dụng vật liệu nano Ag/silica trong xử lý nước sạch, đặc biệt tại các vùng khó khăn. Thời gian: liên tục. Chủ thể: các tổ chức phi chính phủ và chính quyền địa phương.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Khoa học Môi trường: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về vật liệu nano bạc và silica, phương pháp tổng hợp và đánh giá hiệu quả khử trùng, giúp phát triển các đề tài nghiên cứu liên quan.

2. Doanh nghiệp sản xuất và kinh doanh vật liệu lọc nước: Tham khảo để ứng dụng công nghệ tổng hợp nano Ag/silica vào sản xuất vật liệu lọc nước hiệu quả, thân thiện môi trường, nâng cao chất lượng sản phẩm.

3. Cơ quan quản lý môi trường và y tế công cộng: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách, quy chuẩn về xử lý nước sinh hoạt, đảm bảo an toàn sức khỏe cộng đồng.

4. Tổ chức phi chính phủ và các dự án phát triển nước sạch: Áp dụng công nghệ nano bạc trong các chương trình cung cấp nước sạch cho vùng sâu vùng xa, vùng thiên tai, giúp cải thiện điều kiện sống và sức khỏe người dân.

Câu hỏi thường gặp

1. Nano bạc có an toàn cho sức khỏe người sử dụng không?
   Theo tổ chức bảo vệ môi trường Mỹ, cơ thể có thể tiếp nhận liên tục 5×10⁻³ mg Ag⁺/kg/ngày mà không ảnh hưởng sức khỏe. Nghiên cứu cũng không phát hiện nồng độ ion bạc vượt ngưỡng an toàn trong nước sau xử lý bằng nano Ag/silica.

2. Hiệu quả khử trùng của nano Ag/silica so với các phương pháp truyền thống như thế nào?
   Nano Ag/silica đạt hiệu quả khử trùng trên 90% coliforms chỉ sau 2 phút, vượt trội so với silica nền và có ưu điểm không tạo hợp chất phụ độc hại như clo, không cần điện như UV hay ozon.

3. Thời gian tiếp xúc tối ưu để đạt hiệu quả khử trùng cao là bao lâu?
   Nghiên cứu cho thấy chỉ cần khoảng 50 giây tiếp xúc với vật liệu nano Ag/silica là có thể giảm trên 90% số lượng coliforms trong mẫu nước thử nghiệm.

4. Ảnh hưởng của các chất hữu cơ và ion trong nước đến hiệu quả khử trùng ra sao?
   Chất hữu cơ và một số ion phổ biến có thể làm giảm hiệu quả khử trùng do tương tác với ion bạc, tuy nhiên vật liệu vẫn duy trì khả năng diệt khuẩn tốt trong điều kiện nước thực tế.

5. Có thể ứng dụng nano Ag/silica trong quy mô công nghiệp không?
   Phương pháp tổng hợp đơn giản, hiệu suất cao (90%) và vật liệu có tính ổn định cho phép ứng dụng sản xuất quy mô công nghiệp, đặc biệt trong các hệ thống lọc nước sinh hoạt.

Kết luận

• Vật liệu nano Ag/silica được tổng hợp thành công với hiệu suất gắn bạc lên đến 90%, có cấu trúc nano bạc đồng đều, diện tích bề mặt lớn và cấu trúc xốp phù hợp cho ứng dụng khử trùng nước.
• Nano Ag/silica thể hiện khả năng khử trùng vượt trội, giảm trên 90% số lượng coliforms trong nước chỉ sau thời gian tiếp xúc ngắn (khoảng 50 giây).
• Các yếu tố môi trường như chất hữu cơ và ion phổ biến ảnh hưởng đến hiệu quả khử trùng nhưng vật liệu vẫn duy trì hoạt tính tốt trong điều kiện thực tế.
• Nghiên cứu mở ra hướng phát triển công nghệ xử lý nước sạch an toàn, hiệu quả, thân thiện môi trường, phù hợp với điều kiện Việt Nam.
• Đề xuất triển khai ứng dụng vật liệu nano Ag/silica trong hệ thống lọc nước sinh hoạt, đồng thời tiếp tục nghiên cứu tối ưu quy trình và đánh giá an toàn lâu dài.

Khuyến khích các cơ quan quản lý, doanh nghiệp và nhà nghiên cứu phối hợp triển khai ứng dụng và nghiên cứu mở rộng vật liệu nano Ag/silica nhằm nâng cao chất lượng nước sinh hoạt, bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Nước sạch là điều kiện tiên quyết cho sức khoẻ và sự phát triển và là một quyền cơ bản của con người. Hàng năm, trên thế giới có hơn ba triệu người, chủ yếu là trẻ em, tử vong do các bệnh liên quan đến nước. Gần hai triệu người chết do hậu quả của các bệnh tiêu chảy do uống nước nhiễm bẩn, do thiếu nước sạch, điều kiện vệ sinh kém. Tài nguyên nước bị ô nhiễm cũng có thể góp phần làm lây lan các bệnh do tiếp xúc với da hoặc do các côn trùng.

Mặc dù chính phủ, xã hội và cộng đồng quốc tế vẫn tiếp tục nỗ lực phối hợp nhằm cải thiện việc tiếp cận nước sạch (đặc biệt là Thập niên quốc tế về Nước uống và Vệ sinh, 1981-1990) nhưng khoảng 1,1 tỷ người không được tiếp cận với nguồn nước sạch [26]. Ngày nay, các phương pháp khử trùng nước thường được sử dụng như clo và dẫn xuất của clo, ozon, tia UV… hay cổ điển là phương pháp nhiệt (đun sôi). Tuy nhiên, các phương pháp này vẫn chưa mang lại hiệu quả cao và bộc lộ một số hạn chế như tạo các hợp chất cơ clo, gây tồn dư hóa chất, ở nhiệt độ sôi của nước một số vi sinh vật vẫn không bị tiêu diệt… Trong những năm gần đây, việc lựa chọn các hóa chất, vật liệu khử trùng nước thân thiện với môi trường, đặc biệt là không ảnh hưởng tới sức khỏe con người được rất nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu. Từ lâu, nano bạc được biết đến là chất có tính năng kháng khuẩn cao, hạn chế và tiêu diệt sự phát triển của nấm mốc, vi khuẩn và thậm chí cả virut.

So với các phương pháp khử khuẩn truyền thống, bạc có hiệu quả diệt khuẩn cao, không tạo sản phẩm phụ gây độc với môi trường [7,24]. Hiệu quả của bạc có thể được tăng lên gấp nhiều lần khi ở kích thước nano. So với bạc ở kích thước micromet hoặc lớn hơn, các hạt nano bạc có diện tích bề mặt lớn, khi được phân bố đều trong môi trường hoặc trên một chất mang sẽ làm tăng khả năng tiếp xúc, do đó làm tăng hiệu quả làm việc của vật liệu [4,7]. Vì thế các nghiên cứu đang tập trung vào việc nghiên cứu chế tạo được các nano bạc mang 1 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] trên các vật liệu khác nhau (có thể vật liệu từ tự nhiên, nhân tạo hoặc là chất thải) vừa có khả năng diệt khuẩn cao, vừa có thời gian sống dài và thậm chí có khả năng thu hồi lại vật liệu đã sử dụng.

Hiện nay, nano bạc mang trên silica đang được quan tâm nghiên cứu nhiều về phương pháp tổng hợp cũng như các ứng dụng trong đời sống. Phát triển công nghệ chế tạo và ứng dụng vật liệu này trong điều kiện ở Việt Nam sẽ mang lại lợi ích thực tiễn và là bước phát triển mới trong nghiên cứu vật liệu khử trùng nước. Do vậy tiến hành thực hiện đề tài “Nghiên cứu đánh giá khả năng khử trùng nước sinh hoạt và ăn uống của nano Ag/Silica”. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn: tổng hợp và đánh giá khả năng khử trùng nước sinh hoạt và ăn uống của vật liệu nano Ag/silica.

Nội dung nghiên cứu của luận văn gồm có: - Tổng hợp và đánh giá đặc trưng hình thái của vật liệu nano Ag/silica; - Đánh giá ảnh hưởng của chất hữu cơ và một số ion phổ biến trong nước đến khả năng khử trùng nước của vật liệu; - Đánh giá khả năng khử trùng mẫu nước thực tế của vật liệu nano Ag/silica. 2 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] CHƢƠNG 1. Vật liệu nano Ag/silica 1. Tổng quan về nano Ag và silica 1.

Nano bạc Bạc ở kích thước nano là vật liệu có các tính chất quang học, khả năng dẫn điện và dẫn nhiệt cao. Ngoài ra, bạc là một trong những kim loại có độ cứng và khả năng chống mài mòn cao. Nano bạc có thể được tích hợp vào rất nhiều loại sản phẩm từ các loại pin quang điện, các sản phẩm điện tử, các chi tiết cần độ dẫn nhiệt cao, tới các sản phẩm cảm biến sinh học và hóa học. Sự có mặt của nano bạc giúp cho các sản phẩm này có độ dẫn điện, dẫn nhiệt, độ bền cao và ổn định.

Nhờ hiện tượng plasmon bề mặt, nano bạc có thể hấp phụ ánh sáng ở một bước sóng đặc trưng. Tính chất quang học của nano bạc được áp dụng để chế tạo các bộ phận cảm biến, lọc quang học trong các thiết bị chuẩn đoán phân tử hay các thiết bị quang học. Tính chất được biết đến nhiều nhất của nano bạc là khả năng diệt khuẩn của vật liệu này. Nhiều lĩnh vực từ y tế đến sản xuất hàng tiêu dùng đã sử dụng nano bạc như một tác nhân giúp cho các sản phẩm tạo ra có được khả năng chống khuẩn, giúp chăm sóc và bảo vệ sức khỏe con người.

Bạc (trong tiếng Latinh có tên là Argentum) là một trong những chất diệt khuẩn hiệu quả được biết đến từ rất sớm trong lịch sử nhân loại. Người cổ đại thường dùng các lọ hay bình bằng bạc để chứa nước. Những người khai hoang châu Mỹ đã đặt một đồng tiền bằng bạc vào trong cốc sữa trước khi uống. Năm 1700, bạc nitrat được sử dụng để chữa các bệnh hoa liễu, áp xe hậu môn và xương.

Các nhà thờ thường dùng các ly, cốc làm bằng bạc. Bạc và các muối bạc đã được sử dụng rộng rãi từ đầu thế kỷ XIX đến giữa thế kỷ XX để điều trị các vết bỏng và khử trùng [24]. Những năm 1940, sau khi penicilin được đưa vào sử dụng, việc dùng bạc để xử lý nhiễm trùng do vi khuẩn giảm đi. Bạc đã được sử dụng trở lại vào những năm 3 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 1960 khi Moyer sử dụng 0,5% bạc nitrat để chữa vết bỏng.

Moyer đã đưa ra rằng dung dịch này không gây trở ngại với sự phát triển biểu bì và có tính chất chống khuẩn Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa và Escherichia coli. Năm 1968, bạc nitrat kết hợp với sulfonamide để tạo thành kem sulfadazine, làm tác nhân chống khuẩn được phổ biến rộng rãi để chữa vết bỏng. Bạc sulfadazine hiệu quả trong việc chống các loại khuẩn như E. aureus, Klebsiella sp.

Nó cũng có tác dụng chống nấm, chống virut. Như đã nêu trên, ion bạc có khả năng tiêu diệt hơn 650 chủng vi khuẩn gây bệnh cho người. Chủng vi khuẩn gây bệnh cho người không có khả năng tạo đề kháng chống lại tác động của bạc do bạc ức chế quá trình chuyển hóa hô hấp và vận chuyển chất qua màng tế bào vi khuẩn. Bạc có khả năng phá hủy enzym vận chuyển chất dinh dưỡng của tế bào vi khuẩn, làm yếu màng, thành tế bào và tế bào chất, làm rối loạn quá trình trao đổi chất, dẫn đến tiêu diệt vi khuẩn [17].

Mặt khác, nguyên tố bạc không có hại đối với cơ thể con người kể cả khi ở liều lượng tương đối cao (theo tổ chức bảo vệ môi trường Mỹ, cơ thể con người có thể nhận liên tục 5.10-3 mg Ag+/kg/ngày trong suốt cuộc đời mà không bị ảnh hưởng đến sức khỏe [27]. Tuy nhiên, sau khi thuốc kháng sinh được phát minh và đưa vào ứng dụng với hiệu quả cao, người ta không còn quan tâm nhiều đến giá trị diệt khuẩn của bạc. Đến 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 bạc có kích thước nano. Nano bạc ngày nay được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành khác nhau từ dùng làm chất khử trùng dụng cụ y tế, các thiết bị gia dụng… đến một số ứng dụng về môi trường.

Các sản phẩm được làm bằng nano bạc đã được một số cơ quan công nhận như USFDA Hoa Kỳ, EPA Hoa Kỳ, SIAA của Nhật Bản, Viện nghiên cứu và kiểm nghiệm về công nghiệp hóa chất Hàn Quốc và Viện nghiên cứu kiểm tra FITI. Như là tác nhân chống khuẩn, nano bạc đã được ứng dụng rộng rãi trong đời sống [12]. 4 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Nhờ tính chất diệt khuẩn này đã khuyến khích ngành công nghiệp dệt sử dụng nano bạc trong các loại vải sợi khác nhau. Theo hướng này, các sợi nanocomposite bạc đã được chế tạo có chứa nano bạc kết hợp bên trong vải.

Các sợi bông chứa nano bạc có hoạt tính chống lại Escherichia coli [12]. Trong lĩnh vực y tế nano bạc được sử dụng để tẩm vào các loại băng, gạc băng bó vết thương nhằm tránh nhiễm trùng. Hay như việc chế tạo khẩu trang có tẩm nano bạc dùng để diệt vi khuẩn, bảo vệ con người. Khẩu trang nano bạc 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.

Dung dịch nano bạc dùng trong thủy sản và nông nghiệp 5 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Trong công nghiệp, nano bạc được ứng dụng trong sản xuất sơn kháng khuẩn: bột nano bạc được trộn với sơn và phủ lên các phím điện thoại di động, tường nhà và các bề mặt cần được bảo vệ. Với khả năng kháng khuẩn tuyệt vời nano bạc sẽ giữ cho bề mặt không bị nhiễm khuẩn cũng như tiêu diệt nấm mốc làm tăng tính thẩm mỹ và tuổi thọ công trình. Hơn nữa, các tính chất điện hóa của nano bạc được kết hợp với cảm biến nano có thời gian phản ứng nhanh hơn và giới hạn phát hiện thấp hơn. Ví dụ, trong nghiên cứu của Manno và cộng sự (2008), các điện cực nano bạc được gắn điện vào các tấm nhôm kính vàng mô phỏng điện cực cho thấy độ nhạy cao đối với hydrogen peroxide.

Các hạt nano bạc được ứng dụng làm chất xúc tác cho phản ứng hóa học. Köhler và cộng sự (2008) đã cho thấy rằng việc tẩy trắng của các thuốc nhuộm hữu cơ bằng cách sử dụng dung dịch kali peroxodisulphate ở nhiệt độ phòng sẽ được gia tăng mạnh mẽ nếu chứa nano bạc [12]. Silica Silica là tên của nhóm khoáng chất gồm silic và oxy, hai nguyên tố phong phú nhất có trong vỏ Trái đất. Silica được tìm thấy phổ biến ở dạng tinh thể, rất ít ở dạng vô định hình.

Cấu trúc SiO2 dạng vô định hình Cấu trúc SiO2 dạng tinh thể Hình 1. Cấu trúc của SiO2 6 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Silica có cấu trúc mạng lưới không gian ba chiều, trong đó mỗi nguyên tử ôxi nằm ở đỉnh, còn silic nằm ở tâm của tứ diện đều, nếu các tứ diện này được sắp xếp một cách trật tự và đều đặn ta có silica cấu trúc tinh thể.