Nghiên cứu vật liệu Ag-TiO2: Diệt khuẩn hiệu quả trong bóng tối và ứng dụng khử trùng nước uống gia đình

LỜI CẢM ƠN

TÓM TẮT LUẬN VĂN

ABSTRACT

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH

DANH MỤC BẢNG

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

1. CHƯƠNG 1: SỰ CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

1.1. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

1.2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

1.2.1. Đối tượng nghiên cứu

1.2.2. Phạm vi nghiên cứu

1.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

1.3.1. Điều chế vật liệu Ag-TiO2 (P25) và Ag-TiO2-SiO2 và đánh giá hiệu quả khử trùng của vật liệu

1.3.2. Đánh giá đặc tính hóa lý của vật liệu Ag-TiO2 (P25) và Ag-TiO2-SiO2

1.3.3. Thiết kế mô hình và đánh giá hiệu quả khử trùng của mô hình

1.4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

1.4.1. Phương pháp hồi cứu

1.4.2. Các phương pháp thí nghiệm và phân tích

1.4.3. Phương pháp nghiên cứu mô hình

1.4.4. Phương pháp xử lý số liệu

1.5. TÍNH CẤP THIẾT, Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA NGHIÊN CỨU

1.5.1. Tính cấp thiết của đề tài

1.5.2. Ý nghĩa khoa học của đề tài

1.5.3. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN

2.1. TỔNG QUAN VẬT LIỆU TiO2

2.1.1. Giới thiệu một số tính chất của vật liệu TiO2

2.1.2. Cơ sở lý thuyết về quá trình quang xúc tác trên TiO2

2.1.3. Các phương pháp điều chế vật liệu TiO2

2.2. GIỚI THIỆU MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA KIM LOẠI BẠC [13]

2.2.1. Giới thiệu một số tính chất của kim loại bạc

2.2.2. Hạt nano bạc

2.3. QUÁ TRÌNH KHỬ TRÙNG

2.3.1. Khái quát về các vi sinh vật có trong nguồn nước

2.3.2. Khuynh hướng khử trùng trong tương lai

2.3.3. Vi khuẩn Eschocia coli

2.3.4. Cơ chế tiêu diệt tế bào vi sinh vật của chất xúc tác quang TiO2

2.4. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU Ag-TiO2

2.4.1. Tình hình nghiên cứu về vật liệu TiO2 biến tính bằng nguyên tố kim loại và phi kim

2.4.2. Tình hình nghiên cứu về vật liệu TiO2 pha tạp Ag đến hiệu quả diệt khuẩn

2.4.3. Cơ chế khử khuẩn của Ag-TiO2

2.4.4. Các nghiên cứu trong nước

2.5. MỘT SỐ MÔ HÌNH LỌC NƯỚC, KHỬ TRÙNG NƯỚC UỐNG HỘ GIA ĐÌNH32

2.5.1. Một số phương pháp xử lý nước uống đang được áp dụng hiện nay

2.5.2. Một số hệ thống xử lý nước uống điển hình cho người dân nghèo vùng nông thôn42

3. CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM

3.1. THÍ NGHIỆM ĐIỀU CHẾ VẬT LIỆU Ag-TiO2

3.1.1. Điều chế Ag-TiO2 từ TiO2 thương mại

3.1.2. Điều chế Sol-gel Ag-TiO2 từ Titanium (IV) isopropoxide (TTIP)

3.2. THÍ NGHIỆM TẠO LỚP PHIM MỎNG TRÊN CƠ SỞ VẬT LIỆU AG-TIO2 LÊN HẠT SỨ BẰNG PHƯƠNG PHÁP NHÚNG

3.3. THÍ NGHIỆM ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ KHỬ KHUẨN CỦA VẬT LIỆU AG-TIO2 Ở DẠNG BỘT Ở ĐIỀU KIỆN BÓNG TỐI

3.3.1. Điều kiện vận hành của mô hình

3.4. THÍ NGHIỆM ĐÁNH GIÁ TÍNH CỘNG HƯỞNG CỦA VẬT LIỆU AG-TIO2

3.4.1. Điều kiện vận hành mô hình

3.5. NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH KHỬ TRÙNG NƯỚC BẰNG VẬT LIỆU Ag-TiO2

3.6. CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH

3.6.1. Các phương pháp pháp phân tích đặc tính cấu trúc của vật liệu Ag-TiO2

3.6.2. Phương pháp phân tích E.Coli trong nước

4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

4.1. ĐÁNH GIÁ ĐẶC TÍNH CẤU TRÚC CỦA VẬT LIỆU Ag-TiO2

4.1.1. Đánh giá kích thước hạt Ag-TiO2 qua ảnh chụp vi hình thái TEM

4.1.2. Đánh giá sự biến đổi diện tích bề mặt riêng BET

4.1.3. Đánh giá sự biến đổi độ tinh thể hóa

4.1.4. Đánh giá đặc điểm hóa học thông qua phổ hồng ngoại FT-IR

4.1.5. Đánh giá thành phần hóa học của vật liệu thông qua phổ tán xạ năng lượng EDS65

4.1.6. Xác định điểm đẳng điện PZC

4.2. ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ XỬ LÝ DIỆT KHUẨN CỦA CÁC MẪU VẬT LIỆU TRÊN CƠ SỞ Ag-TiO2

4.2.1. Đánh giá hiệu quả diệt khuẩn của vật liệu Ag-TiO2 ở dạng bột

4.2.2. Đánh giá đặc tính cộng hưởng của vật liệu Ag-TiO2

4.2.3. Đánh giá hiệu quả diệt khuẩn của vật liệu Ag-TiO2-SiO2 ở dạng lớp phim mỏng phủ lên chất mang (hạt sứ monolith)

4.3. ĐÁNH GIÁ ĐẶC ĐIỂM LỚP PHIM MỎNG VẬT LIỆU Ag-TiO2-SiO2 PHỦ LÊN CHẤT MANG

4.3.1. Khảo sát khối lượng vật liệu phủ trên chất mang

4.3.2. Mức độ bám dính và độ bền của lớp phim mỏng chứa vật liệu Ag-TiO2 phủ trên bề mặt hạt sứ

4.4. ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ XỬ LÝ TRÊN MÔ HÌNH LỌC 3 TẦNG KHỬ TRÙNG NƯỚC BẰNG VẬT LIỆU Ag-TiO2-SiO2

4.4.1. Tính toán thiết kế mô hình

4.4.2. Đánh giá hiệu quả xử lý của mô hình

4.4.3. Đánh giá tính kinh tế và khả năng áp dụng của mô hình

5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

TÓM TẮT LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

I. Tổng Quan Luận Văn Về Ag TiO2 và Khử Trùng Nước 55 ký tự

Luận văn thạc sĩ này tập trung nghiên cứu hiệu quả diệt khuẩn của vật liệu Ag TiO2 trong điều kiện bóng tối, mở ra hướng đi mới cho khử trùng nước uống hộ gia đình. Tình trạng ô nhiễm nước và thiếu nước sạch là vấn đề cấp bách, đặc biệt ở các nước đang phát triển. Các phương pháp truyền thống thường gặp hạn chế về chi phí và hiệu quả, đòi hỏi giải pháp sáng tạo, bền vững hơn. Nghiên cứu này đánh giá tiềm năng của Ag TiO2 – một vật liệu đầy hứa hẹn với khả năng diệt khuẩn vượt trội, ngay cả khi không có ánh sáng mặt trời. Mục tiêu là tạo ra giải pháp khử trùng nước đơn giản, hiệu quả, phù hợp cho các hộ gia đình, góp phần cải thiện sức khỏe cộng đồng và chất lượng cuộc sống.

1.1. Tầm quan trọng của nước sạch và khử trùng nước

Nước sạch là yếu tố then chốt cho sự sống và phát triển. Tình trạng thiếu nước sạch và ô nhiễm nước gia tăng nguy cơ mắc bệnh, đặc biệt ở trẻ em. Theo UNICEF, hàng năm có hàng ngàn trẻ em tử vong do các bệnh liên quan đến nước ô nhiễm. Khử trùng nước hiệu quả là biện pháp phòng ngừa quan trọng, bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

1.2. Giới thiệu về vật liệu Ag TiO2 và tiềm năng diệt khuẩn

Ag TiO2 là vật liệu composite kết hợp giữa kim loại bạc (Ag) và titanium dioxide (TiO2). Vật liệu này sở hữu khả năng diệt khuẩn mạnh mẽ, ngay cả trong điều kiện bóng tối. Cơ chế diệt khuẩn dựa trên sự giải phóng ion bạc và khả năng tạo ra các gốc tự do, phá hủy tế bào vi sinh vật. Ag TiO2 mở ra tiềm năng lớn trong xử lý nước uống.

II. Vấn Đề Ô Nhiễm Nước và Giải Pháp Khử Trùng 57 ký tự

Ô nhiễm nước là một trong những thách thức lớn nhất mà nhân loại đang đối mặt. Nguồn nước ngày càng bị ô nhiễm bởi chất thải công nghiệp, nông nghiệp và sinh hoạt. Các phương pháp xử lý nước truyền thống thường không hiệu quả trong việc loại bỏ hoàn toàn các vi sinh vật gây bệnh, đặc biệt là các loại vi khuẩn kháng clo. Luận văn này tập trung vào việc tìm kiếm giải pháp khử trùng nước hiệu quả, an toàn và bền vững, đáp ứng nhu cầu nước sạch ngày càng tăng của cộng đồng. Giải pháp sử dụng Ag TiO2 được xem là tiềm năng.

2.1. Thực trạng ô nhiễm nguồn nước tại Việt Nam và thế giới

Ô nhiễm nguồn nước là vấn đề nhức nhối, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe cộng đồng và môi trường. Báo cáo của WHO chỉ ra rằng hàng triệu người trên thế giới không được tiếp cận với nước sạch. Tại Việt Nam, tình trạng ô nhiễm nước do chất thải công nghiệp và sinh hoạt ngày càng gia tăng, đe dọa đến nguồn cung cấp nước uống an toàn.

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

Các phương pháp khử trùng nước truyền thống như clo hóa có thể tạo ra các sản phẩm phụ độc hại. Tia UV có hiệu quả diệt khuẩn cao nhưng đòi hỏi nguồn điện và chi phí bảo trì. Các phương pháp này cũng không hiệu quả trong việc loại bỏ một số loại vi sinh vật kháng clo. Do đó, cần tìm kiếm các giải pháp khử trùng nước mới, an toàn và hiệu quả hơn.

2.3. Yêu cầu cấp thiết đối với khử trùng nước uống hộ gia đình

Ở nhiều vùng nông thôn, người dân không có điều kiện tiếp cận với hệ thống xử lý nước tập trung. Do đó, nhu cầu về các thiết bị khử trùng nước uống hộ gia đình ngày càng tăng. Các thiết bị này cần phải đơn giản, dễ sử dụng, chi phí thấp và hiệu quả trong việc loại bỏ các vi sinh vật gây bệnh, đảm bảo chất lượng nước sinh hoạt.

III. Phương Pháp Điều Chế và Đánh Giá Ag TiO2 Diệt Khuẩn 58 ký tự

Luận văn này trình bày chi tiết quy trình điều chế vật liệu Ag TiO2 bằng phương pháp [Sol-gel]. Các đặc tính hóa lý của vật liệu, bao gồm kích thước hạt, diện tích bề mặt riêng và cấu trúc tinh thể, được đánh giá bằng các phương pháp TEM, XRD, BET. Hiệu quả diệt khuẩn của Ag TiO2 được kiểm tra trong điều kiện bóng tối bằng cách sử dụng vi khuẩn E. coli làm đối tượng thử nghiệm. Mô hình khử trùng nước uống hộ gia đình sử dụng Ag TiO2 cũng được thiết kế và đánh giá hiệu quả.

3.1. Quy trình điều chế vật liệu Ag TiO2 bằng phương pháp Sol gel

Vật liệu Ag TiO2 được điều chế bằng phương pháp [Sol-gel], sử dụng Titanium (IV) isopropoxide (TTIP) làm tiền chất. Quá trình điều chế bao gồm các bước: hòa tan tiền chất, thủy phân, ngưng tụ và nung kết. Kim loại bạc được đưa vào bằng cách tẩm ướt TiO2 với dung dịch AgNO3. Các thông số điều chế được tối ưu hóa để đạt được hiệu quả diệt khuẩn cao nhất.

3.2. Đánh giá đặc tính hóa lý của Ag TiO2 TEM XRD BET

Các đặc tính hóa lý của Ag TiO2 được đánh giá bằng các phương pháp hiện đại như TEM (xác định kích thước hạt), XRD (xác định cấu trúc tinh thể) và BET (xác định diện tích bề mặt riêng). Kết quả cho thấy Ag TiO2 có kích thước hạt nano, cấu trúc tinh thể anatase và diện tích bề mặt riêng lớn, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình diệt khuẩn.

3.3. Phương pháp đánh giá hiệu quả diệt khuẩn trong bóng tối

Hiệu quả diệt khuẩn của Ag TiO2 được đánh giá bằng cách sử dụng vi khuẩn E. coli làm đối tượng thử nghiệm. Mẫu nước chứa vi khuẩn E. coli được tiếp xúc với Ag TiO2 trong điều kiện bóng tối trong một khoảng thời gian nhất định. Sau đó, số lượng vi khuẩn E. coli còn sống được đếm để xác định hiệu quả diệt khuẩn.

IV. Kết Quả Ag TiO2 Hiệu Quả Diệt Khuẩn Trong Bóng Tối 60 ký tự

Nghiên cứu cho thấy vật liệu Ag TiO2 có hiệu quả diệt khuẩn cao trong điều kiện bóng tối. Hiệu quả này phụ thuộc vào nồng độ Ag, kích thước hạt và diện tích bề mặt riêng của vật liệu. Mô hình khử trùng nước uống hộ gia đình sử dụng Ag TiO2 cho thấy khả năng loại bỏ hoàn toàn vi khuẩn E. coli trong nước ô nhiễm. Kết quả này mở ra tiềm năng ứng dụng rộng rãi của Ag TiO2 trong xử lý nước uống tại các vùng nông thôn, vùng sâu vùng xa.

4.1. Ảnh hưởng của nồng độ Ag đến hiệu quả diệt khuẩn

Kết quả nghiên cứu cho thấy nồng độ Ag trong vật liệu Ag TiO2 có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả diệt khuẩn. Nồng độ Ag tối ưu giúp tăng cường khả năng giải phóng ion bạc và tạo ra các gốc tự do, từ đó nâng cao hiệu quả diệt khuẩn.

4.2. Hiệu quả của mô hình khử trùng nước uống hộ gia đình

Mô hình khử trùng nước uống hộ gia đình sử dụng Ag TiO2 cho thấy hiệu quả loại bỏ hoàn toàn vi khuẩn E. coli trong nước ô nhiễm. Mô hình này có thiết kế đơn giản, dễ sử dụng và chi phí thấp, phù hợp với điều kiện của các hộ gia đình ở vùng nông thôn.

4.3. So sánh hiệu quả với các phương pháp khử trùng nước khác

Hiệu quả diệt khuẩn của Ag TiO2 trong điều kiện bóng tối tương đương hoặc thậm chí vượt trội so với một số phương pháp khử trùng nước truyền thống như clo hóa. Ag TiO2 không tạo ra các sản phẩm phụ độc hại và có khả năng loại bỏ các vi sinh vật kháng clo.

V. Ứng Dụng Thực Tế Khử Trùng Nước Uống Bằng Ag TiO2 56 ký tự

Kết quả nghiên cứu này có ý nghĩa thực tiễn lớn trong việc cung cấp nước sạch cho các hộ gia đình, đặc biệt ở các vùng nông thôn, vùng sâu vùng xa. Vật liệu Ag TiO2 có thể được ứng dụng trong các thiết bị khử trùng nước uống hộ gia đình đơn giản, chi phí thấp. Việc sử dụng Ag TiO2 giúp cải thiện chất lượng nước sinh hoạt, giảm nguy cơ mắc bệnh và nâng cao sức khỏe cộng đồng.

5.1. Triển vọng ứng dụng Ag TiO2 trong xử lý nước uống

Vật liệu Ag TiO2 có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong xử lý nước uống, từ xử lý nước quy mô lớn đến khử trùng nước tại hộ gia đình. Nghiên cứu sâu hơn về Ag TiO2 có thể mở ra những giải pháp xử lý nước hiệu quả, bền vững và thân thiện với môi trường.

5.2. Đề xuất thiết kế thiết bị khử trùng nước uống đơn giản

Một thiết bị khử trùng nước uống đơn giản có thể được thiết kế dựa trên việc sử dụng cột lọc chứa vật liệu Ag TiO2. Nước cần khử trùng sẽ đi qua cột lọc, Ag TiO2 sẽ tiêu diệt các vi sinh vật gây bệnh. Thiết bị này có thể được sản xuất với chi phí thấp và dễ dàng sử dụng.

5.3. Lợi ích kinh tế và sức khỏe từ việc sử dụng Ag TiO2

Việc sử dụng Ag TiO2 trong khử trùng nước uống mang lại lợi ích kinh tế và sức khỏe to lớn. Chi phí điều trị bệnh liên quan đến nước ô nhiễm giảm, năng suất lao động tăng và sức khỏe cộng đồng được cải thiện. Ag TiO2 là giải pháp đầu tư hiệu quả cho tương lai.

VI. Kết Luận Ag TiO2 Giải Pháp Cho Nước Sạch Tương Lai 59 ký tự

Luận văn này khẳng định vật liệu Ag TiO2 là giải pháp đầy triển vọng cho vấn đề khử trùng nước uống, đặc biệt trong điều kiện bóng tối. Nghiên cứu này góp phần thúc đẩy ứng dụng Ag TiO2 trong thực tế, mang lại nguồn nước sạch an toàn và bền vững cho cộng đồng. Cần có thêm nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình điều chế và đánh giá tác động lâu dài của Ag TiO2 đối với môi trường.

6.1. Tóm tắt những đóng góp mới của nghiên cứu về Ag TiO2

Nghiên cứu này đã chứng minh hiệu quả diệt khuẩn của Ag TiO2 trong điều kiện bóng tối, đưa ra quy trình điều chế Ag TiO2 hiệu quả và thiết kế mô hình khử trùng nước uống hộ gia đình đơn giản. Những đóng góp này có ý nghĩa quan trọng trong việc giải quyết vấn đề thiếu nước sạch.

6.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo để tối ưu hóa Ag TiO2

Cần có thêm nghiên cứu về cơ chế diệt khuẩn của Ag TiO2, tối ưu hóa quy trình điều chế để giảm chi phí và tăng hiệu quả, đánh giá tác động lâu dài của Ag TiO2 đối với môi trường và phát triển các ứng dụng mới của Ag TiO2 trong xử lý nước.

6.3. Kêu gọi đầu tư vào nghiên cứu và ứng dụng Ag TiO2

Việc đầu tư vào nghiên cứu và ứng dụng Ag TiO2 là cần thiết để mang lại nguồn nước sạch an toàn và bền vững cho cộng đồng. Sự hợp tác giữa các nhà khoa học, doanh nghiệp và chính phủ sẽ thúc đẩy sự phát triển và ứng dụng rộng rãi của Ag TiO2.

Luận văn: Nghiên cứu hiệu quả diệt khuẩn của vật liệu Ag-TiO2 trong điều kiện bóng tối và ứng dụng trong khử trùng nước uống hộ gia đình