Luận văn thạc sĩ nghiên cứu cố định bạc kim loại kích thước nanomet trên bề mặt than hoạt tính làm vật liệu tiệt trùng nước001

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu nghiên cứu cố định bạc kim loại kích thước nanomet trên bề mặt than hoạt tính làm vật liệu tiệt, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất

• Tác giả: Dương Thị Thu Hương
• Người hướng dẫn: PGS. Trần Hồng Côn
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Hóa môi trường
• Đề tài: Nghiên Cứu Cố Định Bạc Kim Loại Kích Thước Nanomet Trên Bề Mặt Than Hoạt Tính Làm Vật Liệu Tiệt Trùng Nước
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Công nghệ nano và vật liệu nano bạc
• 1.1.1. Công nghệ nano
• 1.1.2. Vật liệu nano
• 1.1.3. Bạc và nano bạc
• 1.2. Sơ lược về hấp phụ và than hoạt tính
• 1.2.1. Khái niệm hấp phụ
• 1.2.2. Chất hấp phụ
• 1.2.3. Than hoạt tính
• 1.3. Ô nhiễm vi sinh vật trong nước sinh hoạt và nước thải
• 1.3.1. Nguồn ô nhiễm và sự phân bố vi sinh vật trong nước và thực phẩm
• 1.3.2. Đặc điểm của coliform
• 1.3.3. Các phương pháp định lượng vi sinh vật
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 2.1. Hóa chất và dụng cụ
• 2.2. Tổng hợp vật liệu
• 2.2.1. Quy trình điều chế dung dịch nano bạc
• 2.2.2. Quy trình tổng hợp vật liệu than hoạt tính tẩm nano bạc
• 2.2.3. Xác định lượng nano bạc dư trong dung dịch lọc
• 2.3. Quy trình khảo sát khả năng tiệt trùng của vật liệu
• 2.3.1. Rửa và khử trùng dụng cụ
• 2.3.2. Chuẩn bị mẫu nước thử nghiệm
• 2.3.3. Chuẩn bị môi trường thạch Endo
• 2.4. Định lượng coliform
• 2.5. Một số phương pháp nghiên cứu vật liệu
• 2.5.1. Kính hiển vi điện tử truyền qua
• 2.5.2. Kính hiển vi điện tử quét
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Kết quả nghiên cứu cấu trúc của các vật liệu
• 3.1.1. Kết quả phân tích dung dịch nano bạc
• 3.1.2. Kết quả nghiên cứu các vật liệu than hoạt tính tẩm nano bạc
• 3.2. Khảo sát khả năng diệt khuẩn của các vật liệu Ag – AC
• 3.2.1. Khảo sát số lượng coliform trong mẫu nước đầu
• 3.2.2. Khảo sát khả năng diệt khuẩn của các vật liệu Ag – AC theo phương pháp tĩnh
• 3.2.3. Khảo sát khả năng diệt khuẩn của các vật liệu Ag – AC theo phương pháp động
• 3.2.4. Khảo sát khả năng diệt khuẩn của vật liệu Ag – AC với nước sông Kim Ngưu – Hà Nội
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu bạc nano trên than hoạt tính tiệt trùng nước

Nghiên cứu về bạc nano trên than hoạt tính đang thu hút sự chú ý của nhiều nhà khoa học. Bạc nano có khả năng kháng khuẩn mạnh mẽ, trong khi than hoạt tính là một vật liệu hấp phụ hiệu quả. Sự kết hợp giữa hai yếu tố này hứa hẹn sẽ mang lại giải pháp tiệt trùng nước hiệu quả, góp phần giải quyết vấn đề ô nhiễm nước hiện nay.

1.1. Khái niệm về bạc nano và than hoạt tính

Bạc nano là các hạt bạc có kích thước từ 1 đến 100 nm, mang lại nhiều tính chất đặc biệt. Than hoạt tính là vật liệu có khả năng hấp phụ cao, thường được sử dụng trong xử lý nước. Sự kết hợp giữa bạc nano và than hoạt tính có thể tạo ra vật liệu mới với khả năng tiệt trùng nước hiệu quả.

1.2. Tầm quan trọng của việc tiệt trùng nước

Tiệt trùng nước là một trong những vấn đề cấp bách hiện nay. Nước ô nhiễm chứa nhiều vi sinh vật gây bệnh, ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Việc sử dụng công nghệ bạc nano trên than hoạt tính có thể giúp cải thiện chất lượng nước, đảm bảo an toàn cho người sử dụng.

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

Ô nhiễm nước là một trong những thách thức lớn nhất hiện nay. Nguồn nước sinh hoạt thường bị ô nhiễm bởi vi sinh vật, hóa chất độc hại. Việc khử trùng nước bằng các phương pháp truyền thống không còn hiệu quả. Do đó, cần tìm kiếm các giải pháp mới, hiệu quả hơn.

2.1. Nguồn gốc ô nhiễm nước

Ô nhiễm nước có thể đến từ nhiều nguồn khác nhau như nước thải công nghiệp, nông nghiệp và sinh hoạt. Các vi sinh vật như coliform thường xuất hiện trong nước ô nhiễm, gây ra nhiều bệnh tật cho con người.

2.2. Thách thức trong việc khử trùng nước

Các phương pháp khử trùng truyền thống như clo hóa có thể không hiệu quả với một số vi sinh vật. Hơn nữa, việc sử dụng hóa chất có thể gây ra tác dụng phụ không mong muốn. Do đó, cần có các giải pháp mới như sử dụng bạc nano trên than hoạt tính.

III. Phương pháp nghiên cứu bạc nano trên than hoạt tính

Nghiên cứu này sử dụng phương pháp tổng hợp bạc nano trên bề mặt than hoạt tính. Quá trình này bao gồm nhiều bước, từ việc chuẩn bị vật liệu đến khảo sát khả năng tiệt trùng của vật liệu mới. Các kết quả thu được sẽ được phân tích để đánh giá hiệu quả của phương pháp.

3.1. Quy trình tổng hợp bạc nano

Quy trình tổng hợp bạc nano bao gồm việc sử dụng các hóa chất để tạo ra dung dịch bạc, sau đó cố định lên bề mặt than hoạt tính. Phương pháp này giúp tăng cường khả năng kháng khuẩn của vật liệu.

3.2. Khảo sát khả năng tiệt trùng của vật liệu

Khảo sát khả năng tiệt trùng được thực hiện bằng cách thử nghiệm với các mẫu nước ô nhiễm. Kết quả sẽ cho thấy hiệu quả của vật liệu bạc nano trên than hoạt tính trong việc tiêu diệt vi sinh vật.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy vật liệu bạc nano trên than hoạt tính có khả năng tiệt trùng nước hiệu quả. Các thử nghiệm cho thấy tỷ lệ diệt khuẩn cao, giúp cải thiện chất lượng nước. Ứng dụng của vật liệu này có thể mở ra hướng đi mới trong việc xử lý nước ô nhiễm.

4.1. Kết quả khảo sát khả năng diệt khuẩn

Kết quả khảo sát cho thấy vật liệu bạc nano có khả năng diệt khuẩn lên đến 99%. Điều này chứng tỏ hiệu quả của phương pháp trong việc xử lý nước ô nhiễm.

4.2. Ứng dụng trong thực tiễn

Vật liệu bạc nano trên than hoạt tính có thể được ứng dụng trong các hệ thống lọc nước, giúp cung cấp nước sạch cho cộng đồng. Đây là một giải pháp tiềm năng cho vấn đề ô nhiễm nước hiện nay.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu về bạc nano trên than hoạt tính mở ra nhiều triển vọng trong việc xử lý nước ô nhiễm. Với khả năng kháng khuẩn mạnh mẽ, vật liệu này có thể trở thành một giải pháp hiệu quả cho vấn đề ô nhiễm nước. Cần tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình và mở rộng ứng dụng.

5.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Nghiên cứu đã chứng minh rằng bạc nano trên than hoạt tính có khả năng tiệt trùng nước hiệu quả. Kết quả này mở ra hướng đi mới trong việc xử lý nước ô nhiễm.

5.2. Triển vọng nghiên cứu trong tương lai

Cần tiếp tục nghiên cứu để cải thiện quy trình tổng hợp và mở rộng ứng dụng của vật liệu bạc nano. Điều này sẽ giúp giải quyết vấn đề ô nhiễm nước một cách hiệu quả hơn.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm môi trường nước đang là vấn đề cấp bách toàn cầu, ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe cộng đồng. Theo ước tính, hàng triệu người trên thế giới phải đối mặt với nguy cơ mắc các bệnh truyền nhiễm do nguồn nước sinh hoạt bị ô nhiễm vi sinh vật, đặc biệt là vi khuẩn coliform – chỉ thị quan trọng cho mức độ ô nhiễm vi khuẩn trong nước. Mục tiêu của nghiên cứu này là phát triển vật liệu tiệt trùng nước hiệu quả bằng cách cố định bạc kim loại kích thước nanomet trên bề mặt than hoạt tính, tận dụng khả năng hấp phụ của than hoạt tính và tính kháng khuẩn vượt trội của nano bạc. Nghiên cứu được thực hiện tại Hà Nội trong năm 2016, tập trung khảo sát khả năng diệt khuẩn của vật liệu tổng hợp trên mẫu nước sinh hoạt và nước sông Kim Ngưu – một nguồn nước ô nhiễm điển hình tại địa phương. Việc ứng dụng vật liệu này hứa hẹn nâng cao hiệu quả xử lý nước, giảm thiểu ô nhiễm vi sinh vật, góp phần bảo vệ sức khỏe cộng đồng và phát triển bền vững ngành xử lý nước sạch.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết chính: công nghệ nano và hấp phụ vật lý. Công nghệ nano cho phép điều khiển kích thước vật liệu ở quy mô nanomet (1-100 nm), làm tăng diện tích bề mặt riêng và cải thiện tính chất vật lý, hóa học. Nano bạc được biết đến với khả năng giải phóng ion Ag+ từ từ, có tác dụng diệt khuẩn mạnh mẽ mà không gây độc hại cho con người. Lý thuyết hấp phụ mô tả quá trình các chất khí hoặc lỏng bị giữ lại trên bề mặt chất rắn xốp như than hoạt tính, vốn có diện tích bề mặt rất lớn (500-2500 m2/g) và cấu trúc lỗ xốp đa dạng, giúp hấp phụ hiệu quả các chất ô nhiễm. Ba khái niệm chính được sử dụng gồm: nano bạc (Ag nano), than hoạt tính (Activated Carbon - AC), và vi khuẩn coliform – chỉ thị ô nhiễm vi sinh vật trong nước.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu nước sinh hoạt lấy từ nhà vệ sinh trường Đại học Khoa học Tự nhiên và nước sông Kim Ngưu, Hà Nội. Vật liệu nano bạc được tổng hợp bằng phương pháp khử hóa học sử dụng glucozơ làm tác nhân khử và polivinyl ancol (PVA) làm chất bảo vệ bề mặt, tạo dung dịch nano bạc có kích thước hạt trung bình 11-20 nm. Than hoạt tính được xử lý axit và tẩm nano bạc với hàm lượng từ 100 đến 500 mg/kg. Phương pháp phân tích bao gồm kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) để xác định kích thước hạt nano bạc, kính hiển vi điện tử quét (SEM) để khảo sát sự phân bố nano bạc trên bề mặt than hoạt tính, và phương pháp đếm khuẩn lạc trên màng lọc để định lượng coliform trong mẫu nước. Thời gian nghiên cứu kéo dài trong năm 2016 với các bước tổng hợp vật liệu, khảo sát khả năng diệt khuẩn theo phương pháp tĩnh và động, và đánh giá hiệu quả trên mẫu nước thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Kích thước và phân bố nano bạc: Ảnh TEM cho thấy các hạt nano bạc có kích thước đồng đều từ 11 đến 20 nm, phân tán tốt nhờ sử dụng PVA. SEM xác nhận nano bạc được cố định đều trên bề mặt than hoạt tính với kích thước nano, hàm lượng bạc tăng dần từ vật liệu A1 (100 mg/kg) đến A5 (500 mg/kg).

2. Khả năng diệt khuẩn theo thời gian tiếp xúc: Với vật liệu A5, thời gian tiếp xúc tối thiểu để diệt hoàn toàn coliform trong mẫu nước là 50 phút, số lượng khuẩn lạc giảm từ 41 CFU/50ml xuống 0 sau 50 phút, thể hiện qua đồ thị giảm số khuẩn lạc theo thời gian.

3. Hiệu quả diệt khuẩn của dãy vật liệu Ag-AC: Theo phương pháp tĩnh, vật liệu A0 (than hoạt tính không tẩm bạc) còn lại 28-34 khuẩn lạc, trong khi vật liệu A5 hoàn toàn không phát hiện khuẩn lạc, chứng tỏ hiệu quả diệt khuẩn tăng theo hàm lượng nano bạc. Vật liệu A3 và A4 cũng giảm số khuẩn lạc xuống dưới 2 CFU/50ml, tương ứng giảm trên 90% so với mẫu đầu vào.

4. Khả năng diệt khuẩn trên mẫu nước sông Kim Ngưu: Vật liệu A5 duy trì hiệu quả diệt khuẩn cao trên mẫu nước thực tế có mức độ ô nhiễm coliform ban đầu khoảng 914 CFU/50ml, với khả năng giảm số khuẩn lạc gần như hoàn toàn khi tăng chiều cao cột lọc và giảm tốc độ dòng chảy.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả diệt khuẩn của vật liệu than hoạt tính tẩm nano bạc được giải thích bởi sự kết hợp giữa khả năng hấp phụ của than hoạt tính và tác dụng kháng khuẩn của ion bạc giải phóng từ các hạt nano. Thời gian tiếp xúc đủ dài giúp các ion Ag+ tương tác và phá hủy màng tế bào vi khuẩn, ngăn cản quá trình hô hấp và sao chép DNA của vi sinh vật. So với than hoạt tính truyền thống, vật liệu Ag-AC thể hiện ưu thế vượt trội trong việc loại bỏ vi khuẩn coliform, phù hợp với các nghiên cứu trước đây về tính kháng khuẩn của nano bạc. Việc khảo sát trên mẫu nước sông Kim Ngưu cho thấy vật liệu có tiềm năng ứng dụng thực tiễn trong xử lý nước ô nhiễm tại các khu vực đô thị. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ giảm số khuẩn lạc theo thời gian tiếp xúc và bảng so sánh hiệu quả diệt khuẩn của các vật liệu với hàm lượng bạc khác nhau.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Ứng dụng vật liệu Ag-AC trong hệ thống lọc nước sinh hoạt: Triển khai sử dụng vật liệu A5 với hàm lượng nano bạc 500 mg/kg trong các bộ lọc nước gia đình và công cộng nhằm giảm coliform xuống dưới ngưỡng an toàn trong vòng 60 phút tiếp xúc.

2. Tối ưu thiết kế cột lọc: Điều chỉnh chiều cao cột lọc và tốc độ dòng chảy để đảm bảo thời gian tiếp xúc tối thiểu 50 phút, nâng cao hiệu quả diệt khuẩn, đặc biệt trong xử lý nước mặt ô nhiễm như sông Kim Ngưu.

3. Nâng cao quy trình tổng hợp vật liệu: Đẩy mạnh nghiên cứu cải tiến phương pháp cố định nano bạc trên than hoạt tính nhằm tăng độ bền và khả năng tái sử dụng vật liệu, giảm chi phí vận hành trong vòng 1-2 năm tới.

4. Phát triển sản phẩm thương mại: Hợp tác với các doanh nghiệp sản xuất vật liệu lọc nước để đưa vật liệu nano bạc tẩm than hoạt tính ra thị trường, đồng thời xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật và quy trình kiểm định chất lượng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa môi trường: Nghiên cứu cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm về vật liệu nano bạc và than hoạt tính, hỗ trợ phát triển các đề tài liên quan đến xử lý nước và vật liệu nano.

2. Chuyên gia và kỹ sư xử lý nước: Tham khảo quy trình tổng hợp và đánh giá hiệu quả vật liệu tiệt trùng nước, áp dụng trong thiết kế và vận hành hệ thống xử lý nước sạch.

3. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu lọc nước: Tài liệu giúp hiểu rõ công nghệ tổng hợp vật liệu nano bạc tẩm than hoạt tính, từ đó phát triển sản phẩm mới có tính năng diệt khuẩn cao, thân thiện môi trường.

4. Cơ quan quản lý môi trường và y tế: Cung cấp thông tin khoa học về công nghệ xử lý nước an toàn, hỗ trợ xây dựng chính sách và tiêu chuẩn kiểm soát ô nhiễm vi sinh vật trong nước sinh hoạt.

Câu hỏi thường gặp

1. Nano bạc có an toàn cho sức khỏe con người không?
   Nano bạc giải phóng ion Ag+ với liều lượng kiểm soát, không gây độc hại cho tế bào người do màng tế bào động vật có cấu trúc khác biệt, ngăn cản ion bạc xâm nhập. Ví dụ, vật liệu Ag-AC đã được thử nghiệm trên mẫu nước sinh hoạt đảm bảo an toàn khi sử dụng.

2. Thời gian tiếp xúc tối thiểu để diệt khuẩn là bao lâu?
   Nghiên cứu cho thấy thời gian tiếp xúc tối thiểu với vật liệu A5 là 50 phút để đạt hiệu quả diệt khuẩn hoàn toàn trên mẫu nước thử nghiệm, thời gian này có thể điều chỉnh tùy theo nồng độ vi sinh vật ban đầu.

3. Vật liệu có thể tái sử dụng được không?
   Than hoạt tính tẩm nano bạc có thể được tái sử dụng sau khi rửa sạch và sấy khô, tuy nhiên hiệu quả diệt khuẩn có thể giảm dần theo số lần sử dụng, cần nghiên cứu thêm để xác định chu kỳ tái sử dụng tối ưu.

4. Nano bạc được cố định trên than hoạt tính bằng phương pháp nào?
   Phương pháp hiệu quả là axit hóa dung dịch nano bạc trước khi lắc với than hoạt tính, giúp cố định bạc nano trên bề mặt than, đảm bảo lượng bạc phủ đều và bền vững.

5. Vật liệu có ứng dụng thực tế ở đâu?
   Ngoài xử lý nước sinh hoạt, vật liệu có thể ứng dụng trong lọc nước thải, sản xuất khẩu trang kháng khuẩn, và các sản phẩm tiêu dùng cần tính năng diệt khuẩn, góp phần nâng cao chất lượng môi trường sống.

Kết luận

• Đã tổng hợp thành công vật liệu than hoạt tính tẩm nano bạc với kích thước hạt nano bạc đồng đều 11-20 nm, hàm lượng bạc từ 100 đến 500 mg/kg.
• Vật liệu Ag-AC thể hiện khả năng diệt khuẩn coliform vượt trội, giảm số khuẩn lạc từ 914 CFU/50ml xuống 0 sau 50 phút tiếp xúc với vật liệu A5.
• Hiệu quả diệt khuẩn tăng theo hàm lượng nano bạc và thời gian tiếp xúc, phù hợp với xử lý nước sinh hoạt và nước mặt ô nhiễm.
• Đề xuất ứng dụng vật liệu trong hệ thống lọc nước gia đình và công cộng, đồng thời phát triển sản phẩm thương mại trong vòng 1-2 năm tới.
• Khuyến khích các nhà nghiên cứu, doanh nghiệp và cơ quan quản lý tham khảo để thúc đẩy ứng dụng công nghệ nano bạc trong xử lý nước và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

Hãy bắt đầu áp dụng vật liệu than hoạt tính tẩm nano bạc để nâng cao chất lượng nước sạch và bảo vệ sức khỏe ngay hôm nay!

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Công nghệ nano và vật liệu nano bạc 1.1 Công nghệ nano 1.1 Khái niệm và nguồn gốc của công nghệ nano Công nghệ nano là ngành công nghệ liên quan đến việc chế tạo, thiết kế, phân tích cấu trúc và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng, kích thước trên quy mô nanomet (nm, 1 nm = 10-9 m). Ở kích thước nano, vật liệu sẽ có những tính năng đặc biệt mà vật liệu truyền thống không có được đó là do sự thu nhỏ kích thước và việc tăng diện tích mặt ngoài. Ý tưởng cơ bản về công nghệ nano được đưa ra bởi nhà vật lý học người Mỹ Richard Feynman vào năm 1959, ông đề cập tới khả năng chế tạo vật chất ở kích thước siêu nhỏ đi từ quá trình tập hợp các nguyên tử, phân tử. Nhưng thuật ngữ “công nghệ nano” mới bắt đầu được sử dụng vào năm 1974 do Nario Taniguchi một nhà nghiên cứu tại trường đại học Tokyo sử dụng để đề cập khả năng chế tạo cấu trúc vi hình của mạch vi điện tử.

Những năm 1980, nhờ sự ra đời của hàng loạt các thiết bị phân tích, trong đó có kính hiển vi đầu dò quét có khả năng quan sát đến kích thước vài nguyên tử hay phân tử, con người mới có thể quan sát và hiểu rõ hơn về lĩnh vực nano. Từ đó, công nghệ nano bắt đầu được đầu tư nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ.2 Cơ sở khoa học của công nghệ nano Công nghệ nano dựa trên những cơ sở khoa học chủ yếu sau: - Chuyển tiếp từ tính chất cổ điển đến tính chất lượng tử: Đối với vật liệu vĩ mô gồm rất nhiều nguyên tử, các hiệu ứng lượng tử được trung bình hóa với rất nhiều nguyên tử (1 µm3 có khoảng 1012 nguyên tử) và có thể bỏ qua các thăng giáng ngẫu nhiên. Nhưng các cấu trúc nano có ít nguyên tử hơn thì các tính chất lượng tử thể hiện rõ ràng hơn. 2 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] - Hiệu ứng bề mặt: Khi vật liệu có kích thước nm, các số nguyên tử nằm trên bề mặt sẽ chiếm tỉ lệ đáng kể so với tổng số nguyên tử.

Chính vì vậy các hiệu ứng có liên quan đến bề mặt, gọi tắt là hiệu ứng bề mặt sẽ trở nên quan trọng làm cho tính chất của vật liệu có kích thước nanomet khác biệt so với vật liệu ở dạng khối. Ví dụ như Au là vật liệu rất trơ về mặt hóa học nhưng Au ở cấp độ nano lại là chất có hoạt tính xúc tác, ferit sắt từ nano là chất hấp phụ tốt đối với một số ion độc như As, Cr…điều này mở ra những ứng dụng quan trọng trong lĩnh vực xúc tác, công nghệ sinh học và môi trường. - Kích thước tới hạn: Vật liệu thông thường thường được đặc trưng bởi một số tính chất vật lý, hóa học không đổi như độ dẫn điện, nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi, tính từ… tuy nhiên các tính chất này đều có một giới hạn nhất định về kích thước. Nếu kích thước của vật liệu nhỏ hơn kích thước này thì tính chất của nó hoàn toàn bị thay đổi.

Kích thước đó gọi là kích thước tới hạn. Vật liệu nano có tính chất đặc biệt là do kích thước của chúng có thể so sánh được với kích thước tới hạn của các tính chất vật liệu [2].2 Vật liệu nano Vật liệu nano là những tập hợp của nguyên tử kim loại hay phi kim hay phân tử của những oxit, sunfua, nitrua, clorua…có kích thước hạt trung bình trong khoảng từ 1 – 100nm. Đó cũng có thể là các vật liệu xốp với đường kính mao quản nằm trong giới hạn tương tự (zeolit, photphat và cacboxylat kim loại…) [2]. Về hình dáng, người ta chia vật liệu nano thành các loại: - Vật liệu một chiều là vật liệu trong đó chỉ có một chiều là kích thước nano.

Ví dụ như dây nano, ống nano… - Vật liệu nano hai chiều là vật liệu có hai chiều là kích thước nano ví dụ như màng mỏng. - Vật liệu nano ba chiều (cả ba chiều đều có kích thước nano) như đám nano, dung dịch keo nano, hạt nano… 3 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] - Vật liệu nanocomposit là vật liệu trong đó chỉ có một phần của vật liệu có cấu trúc nano hoặc gồm các cấu trúc nano ba chiều, một chiều, hai chiều đan xen như Ag/silica… 1.3 Bạc và nano bạc 1.1 Giới thiệu về bạc kim loại Nguyên tố bạc có kí hiệu hóa học là Ag, nằm ở ô 47, chu kì 5, nhóm IB, trong Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học. Cấu hình electron các phân lớp ngoài cùng là 4d105s1. Ag kết tinh ở dạng lập phương tâm diện, có bán kính nguyên tử là 0 1,44 .

Ag là kim loại nặng, mềm, có ánh kim, màu trắng, có hai đồng vị bền là 107 Ag (51,9%) và 109Ag (48,1%) [6]. Nhiệt độ sôi, nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ thăng hoa của bạc cao hơn nhiều so với hầu hết các kim loại khác. Về độ dẫn điện và dẫn nhiệt, bạc đứng đầu trong số tất cả các kim loại. Bạc cũng vượt xa các kim loại khác về tính dẻo, dễ dát mỏng và dễ kéo sợi.

Về mặt hóa học, bạc là kim loại rất kém hoạt động. Bạc không tác dụng với oxi không khí kể cả khi đun nóng nên bạc được xem là kim loại quý điển hình.1: Số nguyên tử bạc trong một đơn vị thể tích [11] Kích thước của hạt nano Ag (nm) Số nguyên tử chứa trong đó 1 31 5 3900 20 250000 1.2 Đặc tính kháng khuẩn của bạc Từ xa xưa, người ta đã sử dụng đặc tính này của bạc để phòng bệnh. Người cổ đại sử dụng các bình bằng bạc để lưu trữ nước, rượu dấm. Trong thế kỷ 20, 4 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] người ta thường đặt một đồng bạc trong chai sữa để kéo dài độ tươi của sữa.

Bạc và các hợp chất của bạc được sử dụng rộng rãi từ đầu thế kỷ XIX đến giữa thế kỷ XX để điều trị các vết bỏng và khử trùng. Bạc và các hợp chất của bạc thể hiện tính độc đối với vi sinh vật, virus, tảo và nấm. Tuy nhiên, khác với các kim loại nặng khác (chì, thủy ngân…) bạc không thể hiện tính độc với con người. Sau khi thuốc kháng sinh được phát minh và đưa vào ứng dụng với hiệu quả cao người ta không còn quan tâm đến tác dụng kháng khuẩn của bạc nữa.

Tuy nhiên, từ những năm gần đây, do hiện tượng các chủng vi sinh ngày càng trở nên kháng thuốc, người ta lại quan tâm trở lại đối với việc ứng dụng khả năng diệt khuẩn và các ứng dụng khác của bạc, đặc biệt là dưới dạng hạt có kích thước nano.3 Cơ chế kháng khuẩn của bạc Hình 1.1: Tác động của ion bạc lên vi sinh vật Đã có nhiều công trình khoa học nghiên cứu giải thích hoạt tính kháng khuẩn của bạc. Tuy nhiên cơ chế chính xác của bạc và ion bạc tấn công vào vi sinh vật như thế nào vẫn đang được tiếp tục nghiên cứu. Hiện nay tồn tại một số quan điểm giải thích cơ chế diệt khuẩn của bạc. Các quan điểm này chủ yếu dựa trên sự vô hiệu hóa nhóm thiol trong men vận chuyển oxi hoặc sự tương tác với DNA dẫn đến sự đime hóa pyriđin và cản trở quá trình sao chép DNA của tế bào vi sinh vật.

Các nhà khoa học thuộc hãng Inovation Hàn Quốc cho rằng bạc tác dụng lên màng bảo vệ của tế bào vi sinh vật. Màng này là một cấu trúc gồm protein được liên kết với nhau bằng cầu nối amioaxit để tạo độ cứng cho màng: các protein được gọi là peptidoglican. 5 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Các ion bạc tương tác với các nhóm peptidoglican và ức chế khả năng vận chuyển oxy của chúng vào bên trong tế bào dẫn đến làm tê liệt vi sinh vật. Nếu các ion bạc được lấy ra khỏi tế bào ngay sau đó thì khả năng hoạt động của vi sinh vật có thể lại được phục hồi.

Các tế bào động vật cao có lớp màng bảo vệ hoàn toàn khác so với tế bào vi sinh vật với hai lớp lipoprotein giàu liên kết đôi có khả năng cho điện tử, do đó không cho phép các ion bạc xâm nhập. Vì vậy chúng không bị tổn thương khi tiếp xúc với các ion này. Do đó, hạt bạc không có khả năng tấn công đến các tế bào của động vật bậc cao, đặc biệt là con người. Đây là lí do khiến hạt bạc được sử dụng làm tác nhân diệt khuẩn [16, 17].

Ngoài ra, các ion bạc còn có khả năng ức chế quá trình phát triển của vi khuẩn bằng cách sản sinh ra oxi hoạt tính trên bề mặt của hạt bạc: 2Ag+ + O2-   2Ago + Oo Theo các nhà khoa học Nga, hiện nay đã có nhiều lý thuyết về cơ chế tác dụng diệt vi sinh vật của nano bạc được đề xuất, trong đó lý thuyết hấp phụ được nhiều người chấp nhận hơn cả. Bản chất của thuyết này là ở chỗ tế bào vi sinh vật bị vô hiệu hóa là do kết quả của quá trình tương tác tĩnh điện giữa bề mặt mang điện tích âm của tế bào và ion Ag+ được hấp phụ lên đó, các ion này sau đó xâm nhập vào bên trong tế bào vi sinh vật và vô hiệu hóa chúng [20]. Ngoài ra, có một cơ chế tác động của các ion bạc lên vi sinh vật đáng chú ý được mô tả như sau: Sau khi Ag+ tác động lên lớp màng bảo vệ của tế bào vi sinh vật gây bệnh nó sẽ đi vào bên trong tế bào và phản ứng với nhóm sunfuahydrin – SH của phân tử 6 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] enzym chuyển hóa oxy và vô hiệu hóa men này dẫn đến ức chế quá trình hô hấp của tế bào vi sinh vật [11]. Bên cạnh đó, các ion bạc còn có khả năng liên kết với các bazơ của DNA và trung hòa điện tích của gốc photphat do đó ngăn chặn quá trình sao chép DNA.2: Ion bạc liên kết với các bazơ của DNA Cho đến nay mới chỉ có một quan điểm liên quan đến cơ chế tác động của nano bạc lên tế bào vi sinh vật là được đa số các nhà khoa học thừa nhận.

Đó là khả năng diệt vi sinh vật của hạt nano bạc nhờ quá trình chuyển đổi các nguyên tử bạc kim loại thành dạng ion Ag+ tự do và các ion tự do này sau đó tác dụng lên vị trí mang điện tích âm trên vi sinh vật.