CHƯƠNG 1. SỰ CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Dân số thế giới đang không ngừng gia tăng, và hiện nay chúng ta đang đối mặt với một vấn đề nghiêm trọng: tài nguyên nước sạch ngày càng khan hiếm, nguồn tài nguyên này có thể sớm trở thành một thứ xa xỉ. Nước giữ một vai trò đặc biệt trong đời sống sinh tồn và phát triển của con người. Nước sạch là sự sống, con người, động, thực vật sẽ không tồn tại nếu thiếu nước.
Nước uống an toàn và vệ sinh là những yếu tố quyết định để giảm nghèo, để phát triển bền vững. Nước quan trọng là vậy, nhưng hiện nay, thế giới vẫn phải đang phải đối mặt với nguy cơ thiếu nước sạch và nguồn nước bị ô nhiễm trầm trọng. Tình trạng ô nhiễm nguồn nước, thiếu nước sạch sinh hoạt làm tăng nguy cơ mắc các bệnh đường ruột, bệnh ngoài da và một số căn bệnh khác. Trung bình có khoảng 2,2 triệu trẻ em bị chết do bệnh tiêu chảy mỗi năm.
Theo ước tính của WHO, cho tới nay có khoảng 130 triệu người đang phải đối mặt với việc dùng nước bị nhiễm arsenic với nồng độ cao hơn nồng độ cho phép là 10 µg/lít [1]. Vì vậy, vai trò của nước sạch với đời sống quan trọng và cần thiết hơn bao giờ hết. Tại Việt Nam, theo báo cáo của UNICEF, ước tính mỗi năm có khoảng 20.000 người chết do dùng nước bị ô nhiễm; khoảng 1.100 trẻ em dưới 5 tuổi tử vong vì bị tiêu chảy. Trong khi đó, 44% trẻ em bị nhiễm giun tóc, giun móc, giun kim.[2] Ở các nước đang phát triển, dịch bệnh lan truyền qua đường nước là mối đe dọa nghiêm trọng đối với sức khỏe cộng đồng.
Dịch tả gây ra do vi khuẩn Vibrio cholera vẫn đang là mối đe dọa cho hơn 80 nước trên toàn thế giới.[3] Một lý do giải thích cho vấn đề xã hội nổi bật này là do việc xây dựng các hệ thống xử lý nước cấp ở các nước đang phát triển còn gặp nhiều khó khăn và hạn chế. Do đó mà người dân buộc phải sử dụng các nguồn nước không sạch, dẫn đến việc mắc các bệnh nguy hiểm lây qua đường nước. Trong hoàn cảnh đó, vấn đề xử lý nước và cung cấp nước sạch, chống ô nhiễm nguồn nướcdo tác động của nước thải sinh hoạt đang là vấn đề được quan tâm đặc biệt bởi nhiều nhà khoa học và quản lý trên thế giới, đặc biệt là ở các nước đang phát triển như nước ta. Một trong những vấn đề quan trọng trong xử lý nước cấp là loại bỏ các sản phẩm phụ trong quá trình khử trùng và loại bỏ những vi khuẩn, kén nhộng bền vững.
Nước trong tự nhiên, ngoài các chất hữu cơ khó phân hủy, có độc tính, luôn tồn tại các chất hữu cơ tự nhiên (NOM – Natural Organic Matter) như các acid humic, acid hữu cơ hòa tan, protein, lipid, hydrocarbon, amino acid. Các thành phần này có mặt 1 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP trong nguồn nước thiên nhiên thay đổi theo từng nguồn nước, theo vùng lãnh thổ, theo từng mùa. Những chất hữu cơ thiên nhiên này sẽ kết hợp với chlor trong quá trình xử lý nguồn nước mặt hạy nước ngầm để sản xuất nước sạch cho sinh hoạt và các nhu cầu khác của đời sống. Kết quả là bên cạnh nhu cầu nước sạch đáp ứng nhu cầu đời sống thỏa mãn tiêu chuẩn nước cho sinh hoạt, còn có các sản phẩm phụ khác, chủ yếu là các chất hữu cơ chứa chlor, như trihalomethane (THM), bao gồm trichloromethane (chloroform), dibromochloromethane, bromodichloromethane và tribromomethane (bromoform).
Vì thế, để tránh nguy hiểm cho sức khỏe người dùng nước, gần đây, nhiều quốc gia trên thế giới đã đưa ra quy định kiểm soát lượng THM và lượng HAA (haloacetic acid) trong nước uống, nước sinh hoạt, nước hồ bơi, quy định hàm lượng của chúng phải dưới 100 µg/L [5]. Điều này buộc phải hạn chế chlor trong xử lý nước thiên nhiên cũng như trong công nghệ xử lý truyền thống, cần phải đưa thêm giai đoạn phân hủy các NOMs trước khi châm chlor để khử trùng. Mặt khác, các nhà khoa học đã phát hiện nguyên nhân các trận dịch lớn trên thế giới là do các kén Giardia và các Cryptosporodium vần tồn tại trong nước sau khi khử trùng bằng chlor. Phát hiện đó là công nghệ khử trùng bằng chlor phải được xem xét lại và tìm cách thay thế bằng các công nghệ khác, mạnh hơn, an toàn hơn.
Trong hoàn cảnh đó, các nhà khoa học tìm cách phát triển và đưa vào ứng dụng các giải pháp kỹ thuật khác thay thế cho quá trình chlorine hóa trong khử trùng nguồn nước cấp. Các biện pháp oxy hóa bậc cao (Advanced oxidation processes – AOPs) được xem là giải pháp thay thế hữu hiệu, trong đó phải nhắc đến chất xúc tác quang TiO2 được xem là một trong những biện pháp oxy hóa bậc cao có nhiều ưu điểm vượt trội, không sinh ra các sản phẩm phụ gây hại cho sức khỏe, bền hóa học, không độc, được sử dụng trong các phương pháp xử lý môi trường như thanh lọc nước, không khí và khử trùng. Tuy nhiên, đặc tính quang xúc tác chỉ xảy ra khi chiếu xạ ánh sáng trong vùng tử ngoại và cặp điện tử - lỗ trống hình thành sẽ nhanh chóng tái hợp trong nano giây. Bạc là một nguyên tố thích hợp cải thiện hoạt tính sinh học của TiO2 nhờ vào khả năng kháng khuẩn bẩm sinh của nó.
Sự biến đổi bề mặt TiO2 với kim loại Ag được chứng minh là một kỹ thuật hiệu quả để giảm sự kết hợp điện tử - lổ trống và tăng cường hoạt tính diệt khuẩn của TiO2. Sự ức chế phát triển của vi khuẩn ở nồng độ bạc thấp và sự phân bố tốt của nano Ag trên nền TiO2 chứng tỏ 2 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TiO2 là chất nền thích hợp đối với tác nhân chống khuẩn Ag-TiO2. Khi hoạt hóa bằng tia UV, hạt Ag-TiO2 có hoạt tính mạnh hơn hẳn so với một mình tia UV, UV/Ag, hoặc UV/TiO2. Đặc biệt trong điều kiện không có ánh sáng Ag-TiO2 có hoạt tính kháng khuẩn mạnh hơn hẳn so với TiO2 hoặc Ag riêng lẻ điều này cho thấy vật liệu Ag-TiO2 có một cơ chế tự động diệt khuẩn mà không liên quan đến quang xúc tác.
Việc dùng UV làm tăng kích thướt thiết bị và năng lượng tiêu thụ. Ngoài ra, lượng ion Ag+ hòa tan trong Ag-TiO2 ít hơn so với hạt nano Ag cho thấy khả năng diệt khuẩn của Ag-TiO2 không hoàn toàn do sự giải phóng các ion kim loại độc mà còn điều gì khác [11]. Ag- TiO2 trở thành đối tượng nghiên cứu cơ bản hết sức thú vị và phức tạp, là vật liệu đầy tiềm năng ứng dụng trong y sinh học và xử lý môi trường. Kết quả từ những từ những nghiên cứu này đã mở ra một hướng đi mới cho quá trình khử trùng trong các hệ thống xử lý nước hiện nay.
Tuy nhiên, việc ứng dụng các kết quả này chỉ đang dừng lại ở mức độ nghiên cứu và thử nghiệm ở một số nơi trên thế giới. Đối với nước ta, việc sử dụng chất xúc tác quang TiO2 như một chất khử trùng có hiệu quả cao và thân thiện với môi trường vẫn chưa nhận được nhiều sự quan tâm. Việc nghiên cứu chế tạo và thử nghiệm trên cơ sở vật liệu Ag-TiO2 sẽ cho thấy rõ hơn nữa hiệu quả khử trùng của vật liệu này ngay cả trong điều kiện bóng tối, cần xác định một cách chi tiết hơn đặc tính cộng hưởng của Ag khi kết hợp với TiO2 so với AgNO3 và TiO2 riêng rẻ trong điều kiện bóng tối. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU - Nghiên cứu hiệu quả diệt khuẩn của Ag-TiO2 trong điều kiện bóng tối.
- Nghiên cứu mô hình khử trùng nước bằng vật liệu Ag-TiO2 trong điều kiện bóng tối. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 1. Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của luận văn bao gồm: Ag-TiO2 (P25): Là vật liệu Ag-TiO2 được điều chế bằng phương pháp tạo dung dịch Ag-TiO2 từ TiO2 thương mại (P25 Degussa và PEG 15%) và AgNO3. Ag-TiO2-SiO2: Là vật liệu Ag-TiO2 được điều chế bằng phương pháp tạo Sol-gel Ag-TiO2-SiO2 từ TTIP (titanium (IV) isopropoxide – tiền chất cơ kim của TiO2), TEOS (tetraethyl orthorsilicat – tiền chất cơ kim của SiO2) và AgNO3.
Nước giả lập chứa chủng chuẩn quốc tế E. Phạm vi nghiên cứu Đối với nghiên cứu các đặc trưng cấu trúc của vật liệu chứa thành phần chính Ag- TiO2 ở dạng Sol-gel, các nghiên cứu thuộc phạm vi nghiên cứu bao gồm: 3 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Xác định diện tích bề mặt riêng (SBET) Độ tinh thể hóa (XRD) Hình thái bề mặt vật liệu nano (TEM) Phổ hấp thụ ánh sáng tử ngoại – khả kiến (UV-Vis) và năng lượng miền cấm Quang phổ hồng ngoại (FT-IR) Đối với quá trình phủ lớp phim mỏng chứa thành phần chính Ag-TiO2 trên chất mang có các thông số thuộc phạm vi nghiên cứu: Hình thái bề mặt Độ tổn thất vật liệu Đối với quá trình khử khuẩn của vật liệu Ag-TiO2 được điều chế ở dạng bột và dạng lớp phim mỏng phủ lên chất mang trên thí nghiệm xử lý E.Coli trong điều kiện bóng tối: Hiệu quả xử lý E.Coli theo thời gian 1. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 1. Điều chế vật liệu Ag-TiO2 (P25) và Ag-TiO2-SiO2 và đánh giá hiệu quả khử trùng của vật liệu - Điều chế vật liệu Ag-TiO2 (P25) bằng phương pháp tẩm từ TiO2 thương mại (P25).
- Tối ưu tỉ lệ Ag:TiO2 bằng hiệu quả khử trùng với vật liệu Ag-TiO2(P25) trong điều kiện bóng tối. - Điều chế vật liệu Ag-TiO2-SiO2 bằng phương pháp solgel với tỉ lệ Ag:TiO2 tối ưu. - Đánh giá hàm lượng xúc tác tối ưu trong điều kiện bóng tối. - Đánh giá ảnh hưởng của pH đối với hiệu quả khử trùng trong điều kiện bóng tối.
- Đánh giá ảnh hưởng của nồng độ E.Coli đầu vào tới hiệu quả khử trùng trong điều kiện bóng tối. - So sánh hiệu quả khử trùng giữa phương pháp tẩm và phương pháp solgel. Đánh giá đặc tính hóa lý của vật liệu Ag-TiO2 (P25) và Ag-TiO2-SiO2 - So sánh diện tích bề mặt riêng của việc có và không có Si, Ag với vật liệu Ag- TiO2. - Đánh giá độ tinh thể hóa của vật liệu Ag-TiO2(P25) và Ag-TiO2-SiO2.
- So sánh kích thướt hạt và hình thái hạt. - Đánh giá đặc tính bề mặt của lớp phim mỏng. - Đánh giá đặc tính cộng hưởng của vật liệu Ag-TiO2 1. Thiết kế mô hình và đánh giá hiệu quả khử trùng của mô hình Thiết kế mô hình khử trùng trong điều kiện bóng tối và đánh giá hiệu quả khử trùng: - Thiết kế mô hình.
4 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP - Tối ưu lưu lượng vận hành mô hình. - Khảo sát sự thay đổi nồng độ E.Coli đầu vào, pH. - Khảo sát lượng Ag+ phóng thích.