MỞ ĐẦU 1. Tinh cấp thiết của dé tài Nguồn nước uống sạch - an toàn đang là ưu tiên hàng đầu ở các quốc gia đang phát triển và hiện nay có khoảng 6,5 triệu người trên thế giới không tiếp cận được nguôn nước sạch. Tại nhiều nơi nguồn nước ngầm bị nhiễm vi rút, vi khuân và ky sinh trùng đang ở mức báo động. Do đó, khử trùng nước để loại bỏ các thành phần vi sinh vật gây bệnh là một vấn đề cần thiết.
Tuy nhiên, các biện pháp khử trùng đang áp dụng vẫn còn tổn tại các hạn chế như khử khùng bang phương pháp dun nước, SODIS. Các phương pháo này dễ thực hiện, rẻ tiền nhưng không loại bỏ được hoản toàn các vi sinh vật gây hại và dễ dàng tái nhiễm nếu không sử dụng ngay sau khi xử lý; khử trùng bang tia cực tím (UV) hay mang RO loại bỏ hầu hết các vi sinh vat gây bệnh nhưng chi phí về năng lượng, vận hành va bao trì khá cao; hay khử trùng bằng Chlorine, phương pháp này vừa rẻ tiền vừa có hiệu quả diệt khuẩn cao, nhưng trong quá trình khử trùng bang Chlorine lại tạo ra các hop chất trung gian như Trihalomethanes (THMs) có khả năng gây ung thu ảnh hưởng đến sức khỏe người sử dụng nguồn nước. Với những khuyết điểm của các biện pháp khử trùng vừa nêu đòi hỏi một biện pháp khử trùng mới vừa hiệu quả vừa an toàn. Những nghiên cứu gần đây cho thấy quá trình quang xúc tác bán dẫn cho hiệu quả diệt khuẩn cao.
Đồng thời các chất xúc tác này không độc và rẻ tiền. Trong số các chất xúc tác quang thì Titan dioxit (TiO2) - một chất xúc tác quang nhận được nhiều sự quan tâm trong lĩnh vực khử trùng nước. Bởi vì, TiOz không những có khả năng diệt khuẩn ma còn phân hủy hoan toàn các tế bào thành CO2 và HaO. Tuy nhiên, TiO2 chỉ hoạt động trong vùng ánh sáng UV bước sóng ngăn và điều này gây tiêu hao năng lượng.
Vì vậy “Nghiên cứu mô hình pilot khử trùng nước giếng bằng vật liệu Ag-TiO›-SiO; kết hợp ánh sáng mặt trời? nhằm khắc phục những nhược điểm của TiOz băng việc biến tính bề mặt TiO2 với kim loại bạc dẫn đến mở rộng vùng ánh sáng hoạt động cho TiOz từ vùng UV đến vùng VIS (vùng ánh sáng khả kiến Visible). Hơn nữa, mô hình khử trùng nước giếng bang vật liệu Ag-TiO›-SiO; sẽ tận dụng được nguồn UV tự nhiên từ nguồn sáng mặt trời vừa hiệu quả vừa tiết kiệm chi phí năng lượng. Mục tiêu nghiên cứu Chuan bị và thí nghiệm lớp phim mỏng phủ vật liệu xúc tác quang Ag-TiO2- SiO; lên hạt kính để tiêu diệt hoàn toan vi khuẩn Coliform trong nước giếng dưới điêu kiện ánh sáng mặt trời 1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1.
Đối tượng nghiên cứu Vật liệu Ag-P25, Ag-TiO2-SiO2 và lớp phim mong.coli Nguôn nước giêng. Pham vi nghiên cứu Vi khuan E. Nước giếng tại đường 8, khu phố 3, phường Linh Trung, quận Thủ Đức, TP. Nguồn ánh sáng mặt trời từ 9 giờ đến 14 giờ 1.
Nội dung nghiên cứu Chuan bi vật liệu Ag-TiO2(P25) từ AgNO3 và Degussa P25 bằng phương pháp tâm Chuẩn bị vật liệu Ag-TiO2-SiO2 từ AgNO3 và Tera isopropyl tiatnate (TTIP) băng phương pháp sol-gel và phủ lớp phim mỏng lên hạt kính có kích thước từ 0.9 mm Đánh giá đặc tính cau trúc vật liệu: kích thước hạt, diện tích bề mặt riêng, đặc điểm bé mặt, thành phan cau tric pha tinh thé, nang luong vung cắm, sự ton tại của Ag trong vật liệu Mô hình từng mẻ: Thí nghiệm các yếu tô ảnh hưởng đến hiệu quả diệt khuẩn của vật liệu dạng bột đối với nguồn nước giả lập E.coli ATCC 25922 dưới ánh sáng mặt trời. Bao gồm các yếu tố ảnh hưởng: tỷ lệ % Ag/P25, hàm lượng vật liệu, các chất xúc tác quang khác nhau và các nguồn chiều sáng khác nhau Mô hình dòng chảy liên tục: + Thí nghiệm các yếu tố ảnh hưởng đến mô hình khử trùng có máng parabol trụ: ảnh hưởng của vận tốc nước chảy, ảnh hưởng của thời gian lưu nước, ảnh hưởng của cường độ bức xa, ảnh hưởng của pH và hiệu quả diệt khuẩn theo thời gian. + Thí nghiệm các yếu tố ảnh hưởng đến mô hình khử trùng có máng parabol ghép đôi: ảnh hưởng của thời gian lưu nước, ảnh hưởng của cường độ bức xạ và hiệu quả diệt khuẩn theo thời gian. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 1.
Y nghĩa khoa học - Khảo sát được các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả diệt khuẩn của vật liệu dưới điều kiện ánh sáng mặt trời như nông độ chất xúc tac, ty lệ %Ag/TiO; (P25), năng lượng UV tích lũy đến hiệu quả diệt khuẩn - Lớp phim mỏng Ag-TiOz-SiO; tiêu diệt hoàn toàn vi khuẩn E.coli ATCC 25922 trong thời gian lưu nước là 6 phút. Bên cạnh đó, mô hình khử trùng kết hợp máng parabol ghép đôi diệt khuẩn hoàn toàn vi khuẩn Coliform có trong nước giếng 1. Y nghĩa thực tiễn Phát triển thiết bị khử trùng sử dụng năng lượng mặt trời không gây tiêu tốn điện năng và góp phần bảo vệ môi trường 1. Tinh mới của dé tài Hạt kính phủ lớp phim mỏng Ag-TiO2-SiO2 có khả năng diệt khuẩn cao dưới anh sáng mặt trời.
Bên cạnh đó, lớp phim mỏng chưa gây ra sự phóng thích Ag vào mỗi trường nước. Trong điều kiện bóng tối, vật liệu Ag-TiO2-SiO2 có khả năng tiêu diệt vi khuẩn E. Kết qua này chứng tỏ vi khuẩn bị giết là do tác dung của vật liệu xúc tác quang, không phải do Ag đi vào trong nước. CHƯƠNG 2: TONG QUAN 2.
Khu trùng nước 2. Những tác nhân sinh học gây bệnh trong nước ngầm Nước ngầm được xem là nguồn nước sạch và không bị ô nhiễm vi sinh vật. Tuy nhiên, sự gia tăng dân số ở các đô thị và thành phố lớn dẫn đến việc khai thác nước ngâm quá mức mà không có biện pháp bảo vệ nguồn nước đã gây ra tình trạng suy thoái và đặc biệt là sự ô nhiễm vi sinh vật trong nước ngâm. Điều này đang làm ảnh hưởng rất lớn đến lượng cuộc sống của người dân.
Các nghiên cứu gần đây cho thay [1], các vụ bùng phát bệnh dịch truyền nhiễm do sử dụng nguồn nước ngầm bi ô nhiễm vi sinh như Salmonella, E. Khi sử dụng nguồn nước bị nhiễm ban các vi sinh vật này có thé gây ra các bệnh nguy hiểm đến tính mạng người dùng như ly, thương hàn, tiêu chảy cấp tính và viêm dạ dày ruột. Trong số các vi khuẩn gây bệnh thi E.coli một loại vi khuẩn thường được phát hiện trong nước ngầm bi ô nhiễm.coli cũng là tác nhân gây ra các căn bệnh liên quan về đường ruột.coli được xem là vi sinh vật chỉ thi cho nguồn nước bị ô nhiễm vi sinh. Tiêu chuẩn về ô nhiễm vỉ sinh vật trong nước uống Tổ chức y tế thế giới (WHO) đưa ra những hướng dẫn cho các quốc gia về chất lượng nước uống.
Trong đó yêu cầu vi khuẩn E.coli là sinh vật chỉ thị và bắt buột không có sự tồn tại của vi sinh vật này trong nước uống. Ngoài ra, WHO cũng quy định trong nhiều trường hợp Coliform chịu nhiệt có thé được sử dụng thay cho việc kiểm tra E. Việc kiểm tra vi sinh vật nay được tính đến sự tổn tại trong 100 ml mẫu nước [2]. Tiêu chuẩn Việt Nam đối voi chất lượng nước sinh hoạt (QCVN 02:2009/BYT) không dùng để ăn uống hoặc chế biến thực phẩm tại các cơ sở chế biến thực phẩm quy định nồng độ Coliform tổng số có trong 100 ml không quá 50, còn đối với Coliform chịu nhiệt hoặc E.coli thì không được phép tôn tại.
Đối với nước uống đóng chai (TCVN 6 — 1 - 2010) thì yêu cầu kiểm tra không có Coliform chịu nhiệu hoặc E.coli trong 250 ml nước; <2 Coliform tong số, Streptococci faecal, Pseudomonas aeruginosa. Phương pháp khử trùng nước Một số phương pháp khử trùng nước phổ biến hiện nay như xử lý băng phương pháp ly học ( tia UV, sóng siêu âm), phương pháp hóa học ( chlorine, ozone), phương pháp lọc màng RO, phương pháp sử dụng ánh sáng mặt trời. Những công nghệ khử trùng nước hiện nay có nhiều ưu điểm nhưng cũng song song nhiều khuyết điểm (trình bay ở Bang 2. Do đó, khử trùng nước đòi hỏi một công nghệ mới vừa hiệu quả vừa an toàn.
Một trong những công nghệ khử trùng mới đang được nghiên cứu và áp dụng trong thé ky này chính là công nghệ khử trùng bang chất xúc tác quang hóa. Nhiều nghiên cứu đã đề cập đến quá trình diệt khuẩn băng cách sử dụng chất xúc tác quang Titan dioxit (TiOz) [3]-[5]. Khả năng diệt khuẩn của hợp chất TiO2 được trình bày lần đầu tiên được Matsunaga trình bày vao năm 1985 [6]. Kế từ đó, có nhiều nghiên cứu khoa học chứng minh hiệu quả diệt khuẩn của TiO2 với các loại vi khuẩn khác nhau.
TiOz không những có kha năng tiêu diệt tế bào vi sinh vật mà còn phân hủy hoan toản các tế bao này thành CO; và H;O, là những hợp chất an toàn với sức khỏe người dùng. Kết quả từ những nghiên cứu này đã mở ra một hướng đi mới cho quá trình khử trùng nước hiện nay. Ưu nhược điểm của các phương pháp khứ trùng hiện nay Phương 3 + pháp Tác nhân Ưu diém Nhược diém Chlorine (khí Cl, | -Giá thành tương đôi thấp, được sử dụng rộng rãi - Tạo ra các sản phâm trung gian của quá Ca(OCl)2, và | nhất trên thé giới trình khử trùng (DBPs): Chloro-organics NaOCl) [7] and trihalomethane (THMs) - Chi phan hủy men té bao - Có thé làm thay đổi mùi, vị [8] Chloramine - It tạo ra DBPs - Khả năng diệt trùng của dichloramine thap (NH>Cl, NHCh, | - Dichloramine tồn tại trong nước lâu hơn so với hơn chlorine từ 20 — 25 lần Hoá chat |NCH) [9] chlorine tự do hay ClO2 nên lượng du chloramine - Chloramine phải được điều chế tại chỗ trong nước bên hơn - Gia thành rẻ Ozone - có khả năng phân hủy cả men tê bao lẫn nguyên - Chi phí đầu tư và năng lượng cao [8], [10] sinh chat của tế bao vi sinh vật - Khả năng khuếch tan trong nước thập - Thời gian tác dụng nhanh - Không tạo được lượng lâu trong nước - - Hiệu quả khử trùng cao với các loại vi khuẩn, Tao ra DBP nhưng it hon Chlorine virus - Ozone dé sản xuất. Phương : : Tác nhân Ưu diém Nhược diém pháp - It tao ra các sản phẩm trung gian của quá trình khử trùng như chlorine KMnO, - Có kha năng oxi hóa Fe va Mn.
- Quá trình khử trùng băng KMnO¿ đòi hỏi [10] - Khử mùi và vị của nước gây ra bởi các hợp chất thời gian tiếp xúc lâu hữu cơ.