Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu và chế tạo thiết bị khử vi khuẩn sử dụng LED cực tím

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu nghiên cứu và chế tạo thiết bị khử vi khuẩn sử dụng led cực tím, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện pháp hoàn thiện trong lĩnh vực .

• Tác giả: Vũ Thế Đảng
• Người hướng dẫn: GVC. Nguyễn Văn Hiếu
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
• Đề tài: Nghiên cứu và chế tạo thiết bị khử vi khuẩn sử dụng LED cực tím
• Loại tài liệu: luận văn thạc sỹ
• Năm xuất bản: 2010
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• SUMMARY OF THESIS
• 1. CHƯƠNG 1: CÁC NGHIÊN CỨU VỀ LED/UVLED HIỆN NAY
• 1.1. Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài
• 1.2. Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn của đề tài
• 1.2.1. Nhiệm vụ của đề tài
• 1.2.2. Giới hạn đề tài
• 1.3. Phương pháp nghiên cứu
• 1.3.1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết
• 1.3.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
• 1.3.3. Phương pháp thống kê toán học đơn giản
• 1.4. Dự kiến kết quả đạt được
• 1.5. Kế hoạch đã thực hiện đề tài
• 1.6. GIỚI THIỆU VỀ UVLED VÀ KHỬ TRÙNG
• 1.6.1. Cơ sở lý thuyết về cấu trúc LED
• 1.6.2. Cơ chế phát xạ
• 1.6.3. Đặc tuyến I-V của diode
• 1.6.4. Diode phát xạ cực tím
• 1.6.5. Hiệu suất phát xạ
• 1.6.6. Phân loại và ứng dụng bức xạ tử ngoại (UV)
• 1.6.7. Nguồn phát tia tử ngoại
• 1.6.8. Cơ chế diệt khuẩn của tia tử ngoại
• 1.7. Nước sinh hoạt và vi sinh vật
• 1.7.1. Các vi khuẩn, vi rút trong nước
• 1.7.2. Thuộc tính của vi khuẩn E.
• 1.7.3. Sinh trưởng của vi sinh vật
• 1.8. Qui trình xét nghiệm và khảo sát
• 1.8.1. Qui trình xét nghiệm
• 1.8.2. Khảo sát các tính chất và môi trường
• 1.9. Độ hấp thụ tia tử ngoại của các môi trường khác nhau
• 1.10. Cường độ chiếu xạ
• 1.11. Tỉ lệ diệt khuẩn
• 1.12. Dụng cụ thiết bị và hóa chất
• 1.13. An toàn trong xét nghiệm vi sinh vật
• MỤC LỤC HÌNH
• MỤC LỤC BẢNG
• DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu thiết bị khử vi khuẩn bằng LED cực tím

Nghiên cứu thiết bị khử vi khuẩn bằng LED cực tím đang trở thành một trong những giải pháp hiệu quả trong việc xử lý nước và bảo vệ sức khỏe con người. Công nghệ này không chỉ giúp diệt khuẩn mà còn an toàn hơn so với các phương pháp truyền thống như sử dụng hóa chất hay nhiệt độ cao. Việc áp dụng công nghệ khử trùng bằng ánh sáng đang được nhiều nhà khoa học và kỹ sư nghiên cứu nhằm cải thiện hiệu quả và giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường.

1.1. Ứng dụng của LED cực tím trong khử vi khuẩn

LED cực tím được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống khử trùng nước, không khí và bề mặt. Công nghệ này giúp tiêu diệt vi khuẩn, virus và nấm mốc mà không để lại dư lượng hóa chất độc hại. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng thiết bị khử vi khuẩn bằng LED cực tím có hiệu quả cao trong việc xử lý nước sinh hoạt.

1.2. Lợi ích của việc sử dụng LED trong khử trùng

Việc sử dụng LED cực tím mang lại nhiều lợi ích như tiết kiệm năng lượng, tuổi thọ cao và không gây hại cho sức khỏe con người. So với các phương pháp khử trùng truyền thống, công nghệ khử trùng bằng LED giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường và chi phí vận hành.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu thiết bị khử vi khuẩn

Mặc dù thiết bị khử vi khuẩn bằng LED cực tím có nhiều ưu điểm, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức cần giải quyết. Các vấn đề như hiệu suất khử khuẩn, chi phí sản xuất và khả năng ứng dụng trong thực tế là những yếu tố quan trọng cần được nghiên cứu kỹ lưỡng.

2.1. Hiệu suất khử khuẩn của LED cực tím

Một trong những thách thức lớn nhất là đảm bảo hiệu suất khử khuẩn của LED cực tím đạt yêu cầu. Nghiên cứu cho thấy rằng cường độ ánh sáng và thời gian chiếu là hai yếu tố quyết định đến khả năng diệt khuẩn của thiết bị.

2.2. Chi phí sản xuất và ứng dụng thực tế

Chi phí sản xuất thiết bị khử vi khuẩn bằng LED cực tím vẫn còn cao so với các phương pháp truyền thống. Điều này gây khó khăn trong việc áp dụng rộng rãi công nghệ này trong các lĩnh vực như y tế và xử lý nước.

III. Phương pháp nghiên cứu thiết bị khử vi khuẩn bằng LED cực tím

Nghiên cứu thiết bị khử vi khuẩn bằng LED cực tím thường bao gồm các bước như thiết kế mạch điều khiển, thử nghiệm hiệu suất và đánh giá khả năng khử khuẩn. Các phương pháp này giúp tối ưu hóa thiết bị và nâng cao hiệu quả khử khuẩn.

3.1. Thiết kế mạch điều khiển cho LED cực tím

Mạch điều khiển là phần quan trọng trong thiết bị khử vi khuẩn. Việc thiết kế mạch điều khiển giúp điều chỉnh cường độ ánh sáng và thời gian chiếu, từ đó nâng cao hiệu suất khử khuẩn của LED cực tím.

3.2. Thử nghiệm và đánh giá hiệu suất khử khuẩn

Các thử nghiệm được thực hiện để đánh giá khả năng diệt khuẩn của thiết bị. Kết quả từ các thử nghiệm này sẽ giúp xác định các thông số tối ưu cho việc khử vi khuẩn trong nước và không khí.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn của thiết bị khử vi khuẩn

Kết quả nghiên cứu cho thấy thiết bị khử vi khuẩn bằng LED cực tím có khả năng diệt khuẩn cao, đặc biệt là trong các mẫu nước sinh hoạt. Các ứng dụng thực tiễn của công nghệ này đang được mở rộng trong nhiều lĩnh vực như y tế, thực phẩm và môi trường.

4.1. Kết quả thử nghiệm khả năng diệt khuẩn

Các thử nghiệm cho thấy rằng LED cực tím có thể giảm đáng kể số lượng vi khuẩn trong nước. Kết quả này chứng minh tính khả thi của công nghệ trong việc xử lý nước sinh hoạt.

4.2. Ứng dụng trong ngành y tế và thực phẩm

Công nghệ khử trùng bằng LED cực tím đang được áp dụng trong các bệnh viện và nhà máy chế biến thực phẩm. Điều này không chỉ giúp bảo vệ sức khỏe con người mà còn nâng cao chất lượng sản phẩm.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu thiết bị khử vi khuẩn

Nghiên cứu thiết bị khử vi khuẩn bằng LED cực tím đang mở ra nhiều triển vọng trong việc cải thiện chất lượng nước và bảo vệ sức khỏe cộng đồng. Tương lai của công nghệ này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều giải pháp hiệu quả hơn trong việc xử lý vi khuẩn.

5.1. Triển vọng phát triển công nghệ khử vi khuẩn

Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, thiết bị khử vi khuẩn bằng LED cực tím có thể được cải tiến về hiệu suất và giảm chi phí sản xuất, từ đó mở rộng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực.

5.2. Hướng nghiên cứu trong tương lai

Các nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc tối ưu hóa thiết kế và nâng cao hiệu suất khử khuẩn của thiết bị. Điều này sẽ giúp công nghệ khử trùng bằng LED cực tím trở thành một giải pháp phổ biến và hiệu quả hơn trong tương lai.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm nguồn nước và ngộ độc vi sinh vật đang là những thách thức nghiêm trọng đe dọa trực tiếp đến sức khỏe cộng đồng, với ước tính gây ra hơn 14.000 ca tử vong và nhiễm bệnh mỗi ngày trên phạm vi toàn cầu. Bên cạnh đó, các khảo sát thực tế ghi nhận khoảng 60% các vật dụng tiếp xúc thường nhật như tiền giấy bị nhiễm vi khuẩn đường ruột, làm gia tăng nguy cơ bùng phát dịch tiêu chảy cấp và các bệnh truyền nhiễm nguy hiểm. Trước thực trạng các giải pháp truyền thống như khử trùng bằng hóa chất Clo để lại dư lượng độc hại, xử lý nhiệt làm biến tính vật khử, khí Ozone có chi phí vận hành đắt đỏ hay đèn thủy ngân áp suất thấp (phát bức xạ cực tím bước sóng 254 nm) tiềm ẩn nguy cơ phát tán kim loại nặng khi vỡ hỏng, việc tìm kiếm công nghệ thay thế bền vững trở nên cấp thiết.

Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật Điện tử của tác giả Vũ Thế Đảng đã tập trung nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thành công thiết bị khử vi khuẩn ứng dụng điốt phát quang cực tím (UVLED) bước sóng 365 nm. Công trình được thực hiện từ tháng 2/2010 đến tháng 8/2010 tại Phòng thí nghiệm Công nghệ Môi trường thuộc Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh kết hợp cùng Khoa Điện tử Viễn thông thuộc Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Thành phố Hồ Chí Minh. Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là xây dựng mạch điều khiển công suất bức xạ tối ưu bằng vi điều khiển, phân bố đồng đều năng lượng quang học và kiểm chứng thực nghiệm khả năng tiêu diệt hai chủng vi khuẩn chỉ thị là Escherichia coli (E. coli) và Coliform. Với mật độ công suất chiếu xạ 2,584 mW/cm2 ở khoảng cách phơi nhiễm 1 cm, thiết bị mở ra giải pháp công nghệ khử khuẩn an toàn, tiết kiệm điện năng và không gây ô nhiễm môi trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết quang điện tử bán dẫn và cơ chế tương tác quang sinh học của bức xạ cực tím. Thứ nhất, lý thuyết vùng năng lượng bán dẫn giải thích quá trình phát xạ photon khi các hạt dẫn (điện tử và lỗ trống) tái hợp tại vùng tiếp giáp P-N. Để tạo ra bức xạ tử ngoại bước sóng ngắn, vật liệu bán dẫn màng mỏng hợp chất Nitride (như GaN, InGaN, AlGaN) được cấu trúc thành các giếng đa lượng tử (Multi Quantum Wells - MQW). Theo định luật quang học, bước sóng phát xạ $\lambda$ tỷ lệ nghịch với độ rộng vùng cấm $E_g$ theo biểu thức $\lambda = 1,24 / E_g \text{ (eV)}$. Cấu trúc MQW giúp giam giữ các hạt mang điện ở mức kích thích cao, tạo ra photon bước sóng 365 nm thuộc vùng tử ngoại gần (NUV/UVA) theo chuẩn ISO-DIS-21348 với dải năng lượng photon tương ứng từ 3,40 eV đến 4,00 eV.

Thứ hai, cơ chế diệt khuẩn bằng bức xạ cực tím tác động trực tiếp lên cấu trúc axit nucleic (ADN) của vi sinh vật. Năng lượng photon UV hấp thụ bởi các bazơ nitơ pyrimidine (gồm thymine và cytosine), bẻ gãy liên kết hydro đôi và kích hoạt phản ứng tạo thành liên kết cộng hóa trị dạng dimer thymine-thymine (ký hiệu $T \wedge T$). Sự biến dạng cấu trúc phân tử này ngăn cản quá trình nhân đôi của ADN và ức chế sự phân bào của trực khuẩn Gram âm E. coli (kích thước trung bình $2 \times 0,5 \ \mu\text{m}$) cũng như các vi khuẩn Coliform, khiến chúng mất khả năng sinh sản và vô hại hóa mầm bệnh.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ hàng chục mẫu nước sinh hoạt, nước ngầm, nước mưa tù đọng và nước thải sinh hoạt chứa tạp chất hữu cơ lấy từ nhiều địa điểm tại Thành phố Hồ Chí Minh. Phương pháp chọn mẫu phân tầng được áp dụng nhằm bao quát các dải mật độ vi sinh vật từ hàng trăm đến hàng chục ngàn CFU/ml (Colony-Forming Unit).

Quy trình xét nghiệm vi sinh tuân thủ nghiêm ngặt kỹ thuật vi sinh học chuẩn: mẫu nước được pha loãng thập phân liên tiếp theo tỷ lệ từ $1/10$, $1/100$ đến $1/1000$ bằng nước cất vô trùng, sau đó cấy định lượng 1 ml dung dịch lên đĩa thạch Petrifilm chuyên dụng của hãng 3M và ủ ấm ở nhiệt độ chuẩn 37 độ C trong thời gian từ 18 đến 24 giờ để đếm số lượng khuẩn lạc sống sót.

Về kỹ thuật phần cứng, nhóm nghiên cứu lựa chọn vi điều khiển kiến trúc AVR kết hợp mạch điều khiển công suất sử dụng transistor hiệu ứng trường MOSFET. Lý do lựa chọn phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) thay vì điều chỉnh điện áp liên tục là nhằm duy trì dòng điện đỉnh ở mức 700 mA để đạt cường độ bức xạ đâm xuyên cực đại tức thời, đồng thời tạo chu kỳ ngắt nghỉ $T_{\text{off}}$ giúp giảm thiểu nhiệt lượng tích tụ tại mối nối P-N, bảo vệ linh kiện và ổn định bước sóng phát xạ trong suốt quá trình vận hành từ tháng 2/2010 đến tháng 8/2010.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình khảo sát kỹ thuật và thực nghiệm diệt khuẩn trên thiết bị chế tạo mang lại các kết quả định lượng cụ thể:

• Đặc tính quang điện của linh kiện: Module UVLED SB1100UV-365 phát xạ bước sóng đỉnh 365 nm, dải phổ hẹp 10 nm, hoạt động ổn định ở dải điện áp 3,4 V đến 4,0 V và dòng định mức 700 mA cho công suất bức xạ 200 mW mỗi bóng. Cấu hình bố trí ma trận đèn tối ưu mang lại mật độ thông lượng bức xạ 2,584 mW/cm2 trên bề mặt phơi nhiễm cách đèn 1 cm.
• Hiệu suất tiêu diệt vi khuẩn ở công suất cực đại 0,8 W: Với thời gian chiếu xạ 180 phút, tỷ lệ diệt khuẩn Coliform và E. coli đạt trên 95% đối với các mẫu nước ô nhiễm có mật độ vi khuẩn ban đầu hàng chục ngàn CFU/ml. Đặc biệt, đối với các mẫu nước sinh hoạt có mật độ vi khuẩn ban đầu từ 200 đến 500 CFU/ml, thiết bị tiêu diệt hoàn toàn 100% lượng vi khuẩn sau 60 đến 180 phút phơi nhiễm.
• Mối tương quan giữa công suất và khả năng khử khuẩn: Khi giảm công suất chiếu xạ từ 0,8 W xuống 0,72 W và 0,64 W trong cùng thời gian chiếu 180 phút, tỷ lệ sống sót của vi khuẩn tăng từ 5% lên mức 18% đến 28%, khẳng định liều chiếu bức xạ đóng vai trò quyết định đến khả năng phá hủy cấu trúc ADN vi sinh vật.
• Độ ổn định nhiệt và hệ thống điều khiển: Mạch điều khiển xung PWM duy trì nhiệt độ tiếp giáp bán dẫn luôn dưới ngưỡng an toàn 85 độ C, hạn chế độ lệch bước sóng trung tâm dưới 2 nm, hỗ trợ giao tiếp cổng nối tiếp với máy tính để ghi nhận và xuất dữ liệu lịch sử chiếu xạ ra file Excel chuẩn xác 100%.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả khử trùng của thiết bị phụ thuộc chặt chẽ vào ba thông số chính: mật độ công suất bức xạ, thời gian phơi nhiễm và độ hấp thụ quang học của môi trường nước. Trên các đồ thị suy giảm mật độ vi khuẩn theo thời gian, đường cong sống sót biểu diễn sự giảm sút hàm số mũ rõ rệt: trong 60 phút đầu tiên, lượng vi khuẩn giảm nhanh hơn 70%, và tiếp tục tiệm cận về 0 CFU/ml sau 180 phút. Bảng thống kê dữ liệu giữa các nguồn nước khác nhau cũng chỉ ra rằng nước có độ đục cao và lẫn tạp chất kim loại làm giảm đáng kể khả năng đâm xuyên của tia tử ngoại. Thực nghiệm kiểm chứng nhận định khoa học cho thấy khi nồng độ ion sắt (Fe) tăng thêm 1/1.000 trong nước, mức độ hấp thụ tia cực tím tăng vọt, gây suy giảm đến 66% năng lượng khử trùng hữu ích.

So với công nghệ đèn hơi thủy ngân 254 nm truyền thống, nguồn phát UVLED 365 nm tuy có bước sóng dài hơn nhưng mang lại độ bền cơ học cao, tuổi thọ vận hành vượt xa mức 2.000 giờ của đèn ống thủy tinh và loại bỏ hoàn toàn rủi ro nhiễm độc hóa chất. Giải pháp này giúp cắt giảm 40% đến 60% lượng điện năng tiêu thụ, cho phép thiết kế các hệ thống xử lý nước di động cực kỳ nhỏ gọn.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm hoàn thiện và nâng cao hiệu quả thương mại hóa của thiết bị khử vi khuẩn UVLED, bốn nhóm giải pháp kỹ thuật và ứng dụng được đề xuất cụ thể:

• Tích hợp module tiền xử lý lọc cơ học: Lắp đặt hệ thống màng lọc cặn thô và hạt trao đổi ion trước buồng chiếu UV nhằm loại bỏ triệt để tạp chất lơ lửng và giảm thiểu 66% sự suy hao năng lượng bức xạ do ion sắt gây ra. Giải pháp cần được các kỹ sư môi trường triển khai hoàn tất trong quý 1.
• Nâng cấp công suất quang học của buồng chiếu: Tăng số lượng bóng UVLED từ 4 bóng lên cụm 16 bóng với tổng công suất bức xạ đạt từ 2 W đến 5 W. Cải tiến này giúp rút ngắn thời gian xử lý mẫu từ 180 phút xuống dưới 10 phút, đạt target metric tiêu diệt 99,99% khuẩn E. coli, do nhóm nghiên cứu phần cứng thực hiện trong 6 tháng.
• Chuẩn hóa phần mềm giám sát tự động: Phát triển firmware vi điều khiển hỗ trợ lưu trữ tự động tối thiểu 1.000 bản ghi lịch sử chiếu xạ, tích hợp cảm biến đo quang thông thời gian thực và đồng bộ hóa báo cáo kiểm định qua máy tính, hoàn thành trong vòng 3 tháng bởi đội ngũ lập trình nhúng.
• Mở rộng ứng dụng cho dây chuyền đóng chai công nghiệp: Phối hợp cùng các cơ sở sản xuất nước uống đóng bình 20 lít để thử nghiệm module khử khuẩn dòng chảy liên tục, đặt mục tiêu cắt giảm 30% chi phí bảo trì định kỳ so với hệ thống đèn khử trùng cũ trong giai đoạn 12 tháng tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang lại giá trị học thuật và thực tiễn sâu sắc cho bốn nhóm đối tượng chuyên môn:

• Kỹ sư thiết kế phần cứng và lập trình nhúng: Tham khảo thiết kế mạch công suất điều chế độ rộng xung PWM cho LED tử ngoại, phương pháp ghép nối vi điều khiển AVR với màn hình LCD và giao thức truyền thông dữ liệu hai chiều với máy tính.
• Nhà nghiên cứu và chuyên viên công nghệ môi trường: Khai thác quy trình kiểm nghiệm vi sinh chuẩn mực trên đĩa Petrifilm 3M, kỹ thuật pha loãng thập phân và mô hình toán học đánh giá độ suy giảm bức xạ quang học trong các môi trường chất lỏng phức tạp.
• Doanh nghiệp sản xuất thiết bị lọc nước và đồ uống: Nắm bắt giải pháp thay thế bóng đèn thủy ngân độc hại bằng cụm module UVLED 365 nm tiết kiệm điện, có tuổi thọ vượt 10.000 giờ để phát triển các dòng máy lọc nước gia đình thế hệ mới.
• Giảng viên và học viên cao học ngành Vật lý kỹ thuật: Sử dụng công trình làm tài liệu giảng dạy thực tế về cấu trúc bán dẫn giếng đa lượng tử MQW trên nền vật liệu GaN/AlGaN và cơ chế phá hủy liên kết phân tử sinh học dưới tác dụng của sóng điện từ.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nghiên cứu lại lựa chọn UVLED bước sóng 365 nm thay vì đèn thủy ngân 254 nm? Đèn thủy ngân phát tia UVC 254 nm tuy có hiệu suất diệt khuẩn quang sinh học cao nhưng chứa thủy ngân độc hại, dễ vỡ và tuổi thọ ngắn dưới 2.000 giờ. UVLED 365 nm công suất 200 mW ở dải điện áp 3,4 V đến 4,0 V đem lại giải pháp an toàn sinh thái, tiêu thụ ít điện năng và tuổi thọ bền bỉ hơn nhiều lần.

2. Phương pháp điều chế độ rộng xung PWM đóng vai trò gì trong mạch điều khiển UVLED? Kỹ thuật PWM cho phép đưa dòng điện phân cực thuận tức thời lên đỉnh 700 mA giúp tia bức xạ đạt cường độ đâm xuyên tối đa qua lớp nước sâu 1 cm, đồng thời tạo khoảng thời gian nghỉ giúp duy trì nhiệt độ mối nối dưới 85 độ C để bảo vệ linh kiện.

3. Mật độ vi khuẩn ban đầu ảnh hưởng như thế nào đến thời gian chiếu xạ của thiết bị? Thực nghiệm chứng minh với mật độ vi khuẩn thấp từ 200 đến 500 CFU/ml, thiết bị tiêu diệt hoàn toàn trong 60 phút ở công suất 0,8 W; tuy nhiên với mật độ cao hàng chục ngàn CFU/ml, thời gian phơi nhiễm cần duy trì đủ 180 phút để đạt tỷ lệ diệt trên 95%.

4. Yếu tố tạp chất nào trong nguồn nước làm suy giảm hiệu quả diệt khuẩn mạnh nhất? Tạp chất sắt (Fe) hòa tan là tác nhân cản trở lớn nhất. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng chỉ cần bổ sung lượng sắt tương đương 1/1.000 vào nước cất đã gây ra sự suy giảm năng lượng truyền dẫn khử trùng của tia cực tím lên tới 66%.

5. Quy trình định lượng vi khuẩn E. coli trong luận văn được tiến hành như thế nào? Mẫu nước sau khi chiếu xạ được pha loãng thập phân từ $1/10$ đến $1/1000$, nhỏ 1 ml dung dịch lên đĩa Petrifilm chuyên dụng của hãng 3M, ủ ấm ở 37 độ C trong 18 đến 24 giờ rồi tiến hành đếm số lượng khuẩn lạc CFU để xác định chính xác tỷ lệ tiêu diệt.

Kết luận

• Thiết kế và chế tạo thành công thiết bị khử khuẩn nước sinh hoạt hoàn chỉnh sử dụng công nghệ UVLED 365 nm điều khiển bằng vi điều khiển AVR.
• Ứng dụng xuất sắc phương pháp điều chế độ rộng xung PWM với dòng điện đỉnh 700 mA, vừa tối ưu khả năng đâm xuyên bức xạ vừa kiểm soát nhiệt độ linh kiện bền bỉ.
• Chứng minh hiệu quả diệt khuẩn vượt trội trên hai chủng vi sinh chỉ thị Coliform và E. coli với tỷ lệ tiêu diệt đạt trên 95% ở công suất 0,8 W trong 180 phút.
• Xây dựng hệ thống giao tiếp máy tính hoàn chỉnh, hỗ trợ theo dõi trực quan, lưu trữ lịch sử chiếu xạ và trích xuất dữ liệu ra file Excel phục vụ thống kê.
• Đặt nền móng kỹ thuật vững chắc cho việc ứng dụng linh kiện bán dẫn phát xạ cực tím trong công nghệ xử lý nước sạch và bảo vệ môi trường sinh thái.

Kế hoạch tiếp theo tập trung nâng cấp hệ thống quang học lên công suất 5 W trong 6 tháng và tiến hành thử nghiệm mở rộng trên các dòng vi khuẩn kháng thuốc trong giai đoạn 12 tháng tới. Các viện nghiên cứu, doanh nghiệp sản xuất thiết bị lọc nước và đơn vị y tế quan tâm có thể liên hệ hợp tác chuyển giao công nghệ để đưa sản phẩm ứng dụng rộng rãi vào thực tiễn sản xuất và đời sống.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. Các nghiên cứu về LED/UVLED hiện nay: Diode phát quang (Light Emitting Diode, LED) là loại diode có khả năng phát ra ánh sáng. LED được cấu tạo từ 2 loại bán dẫn loại p và loại n được phát hiện vào năm 1907 bởi H. Hoạt động của LED giống như nhiều loại diode bán dẫn dựa vào cơ chế chuyển dời các điện tử sang lỗ trống để hình thành nguyên tử trung hòa tại vùng tiếp giáp P-N.

Quá trình này giải phóng năng lượng dưới dạng bức xạ điện từ với bước sóng ánh sáng xác định. Năm 1962, đèn LED thực tế đầu tiên được phát minh bởi Nick Holonyak, Jr tại công ty General Electric. Đầu tiên đèn LED màu đỏ được đưa ra trị trường và được sử dụng phổ biến ở nhiều nơi cho việc hiển thị thông tin ở dạng là 7 đoạn. Các LED này cũng được lắp vào thiết bị trong các phòng thí nghiệm hiện đại.

Sau đó, chúng được dùng cho tivi, radio, điện thoại, máy tính và các thiết bị chiếu sáng khác. Tuy nhiên, các đèn LED đỏ chỉ đủ sáng cho người dùng hay phạm vi hẹp. Sau đó, công nghệ chế tạo LED đã phát triển nhanh đáp ứng nhu cầu về nhiều loại màu sắc khác nhau trong hiển thị, quảng cáo, chiếu sáng,. trong vùng khả kiến.

Các LED phát ra các bước sóng hồng ngoại, X-ray,. mới được phát hiện gần đây mà đặc biệt là bước sóng tử ngoại (Ultraviolet, UV) cũng có tiềm năng trong lĩnh vực y sinh. -1- Gallium Nitride cho LED màu xanh Hình 1. 1: Cuộc cách mạng của hợp chất Nitride với lợi điểm của khe năng lượng rộng.

Năm 1971, Nhà khoa học Jacques Pankove tại PTN RCA [18] đã thành 271H công trong việc nghiên cứu và thử nghiệm chế tạo Gallium Nitride LED là diode phát quang màu xanh. Tuy nhiên, chúng vẫn chưa được ứng dụng một cách rộng rãi và hiệu quả. Bước vào những năm 1980, các nhà khoa học Nhật bản (Isamu Akasaki, Hiroshi Amano,.) [19], [20] đã tạo ra một cuộc cách mạng về LED 272H 273H xanh, linh kiện quang điện tử khi sử dụng phương pháp tạo mầm GaN cho bán dẫn loại p. Các lớp màng mỏng InGaN xen kẽ GaN tạo nên giếng lượng tử đa lớp (Multi Quantum Wells: MQW) nguồn gốc của sự phát quang từ vùng tím đến vùng đỏ.

AlGaN và AlN thường được sử dụng để tạo ra các lớp giếng lượng tử cho LED cực tím, nhưng các nhà khoa học vẫn chưa hoàn tất nghiên cứu để nâng hiệu suất. Tuy nhiên, họ cũng phát hiện cấu trúc InGaN-GaN sẽ phát xạ màu xanh dương hay xanh lá. Nếu sự kích hoạt của lớp giếng lượng tử là GaN, như xen kẽ lớp InGaN hoặc AlGaN sẽ phát ra ánh sáng gần như tia cực tím với bước sóng từ 350-370 nm. LED xanh lá được phát xạ từ cấu trúc InGaN-GaN có hiệu xuất phát xạ cao và cường độ chiếu sáng mạnh hơn loại LED màu xanh lá được chế tạo từ vật liệu không có nitric.

-2- Hãng Siemens AG HLOS (Đức) [21] sử dụng vật liệu GaN/InGaN để chế 274H tạo các loại LED màu xanh trên đế SiC. So với sapphire thì SiC mắc hơn nhưng ngược lại họ có thể điều khiển được quá trình tạo các lớp InGaN và khảo sát một số tính chất của cấu trúc trở nên dễ hơn. Hãng này muốn nghiên cứu và đưa ra thị trường các ứng dụng khác của LED cho xe hơi, tín hiệu và chiếu sáng. Khoảng 10 năm gần đây, LED được ứng dụng phổ biến trong các lĩnh vực hiển thị tín hiệu giao thông, đèn quảng cáo và trang trí nội thất cao cấp, màn hình hiển thị lớn và chiếu sáng diện rộng.

Công nghệ LED hiệu suất phát quang cao được đưa vào sản xuất đại trà tại Mỹ, Đức, Pháp, Trung quốc, Nhật bản, Hàn quốc, Đài Loan,. tuy nhiên, giá thành các đèn trang trí còn cao do phải đầu tư công nghệ chế tạo tốn kém. LED tử ngoại (UVLED) Các nhà khoa học đã thành công trong việc tạo ra các lớp màng mỏng cấu trúc AlGaN và AlGaInN và phát hiện bước sóng phát xạ ngắn trong dải cực tím. Các LED cực tím này đang được thị trường ứng dụng chờ đợi với các ứng dụng đa dạng trong lĩnh vực y-sinh, công nghệ sinh học, khử trùng, truyền dẫn quang,.

Nếu các LED phát sáng bước sóng gần cực tím như 375-395 nm thì khả năng chế tạo dễ hơn và giá thành thấp hơn. Nếu muốn đạt bước sóng ngắn hơn, dưới 247 nm, thì đòi hỏi công nghệ và kinh phí đầu tư cao nhưng các ứng dụng lại hiệu quả hơn các LED có bước sóng trên 370nm. Thí dụ, bước sóng 260nm rất nhạy cảm cho các gen di truyền kháng lại sức hút quang phổ của ADN. Sử dụng đèn UVLED với bước sóng từ 250 đến 270 nm có tác dụng diệt được các vi khuẩn, vi trùng do năng lượng cao và hàng loạt các thiết bị tẩy uế sẽ ra đời trong thời gian sắp tới.

Một số công bố của các nhóm nghiên cứu Nhật bản về cấu trúc khác nhau của LED để cho được phát quang cực tím sẽ được trình bày dưới đây cho thấy cuộc chạy đua không ngừng trên lĩnh vực UVLED. Nhóm tác giả Hideki Hirayama (RIKEN, Nhật bản) [22] đã công bố thành 275H công trong việc chế tạo cấu trúc UVLED cho phát xạ 231–261 nm sử dụng -3- AlGaN với vùng đệm đa lớp trên đế sapphire. Các thông số của UVLED với cấu trúc: thành phần x của Al trong giếng AlxGa1−xN vùng đệm (buffer), lớp cản (barrier) và lớp khóa điện tử (electron-blocking layers EBLs) như sau: Hình 1. 2: Cấu trúc của UVLED với giếng đa lượng tử của AlGaN-MQW cho phát quang 231-261 nm [22].7 nm vùng đệm Si-doped AlGaN.

3 lớp MQW gồm 2 nm giếng AlGaN. 4 nm AlGaN lớp cản. 7 nm lớp cản undoped AlGaN. 15 nm lớp Mg-doped AlGaN EBL.

10 nm lớp Mg-doped AlGaN,. Gần 10 nm lớp tiếp xúc Mg-doped GaN trên đa lớp ML-AlN. Nhóm Hideki Hirayama [22] cho thấy rằng, công suất tối đa (output power) 277H là 1.65 mW và hiệu suất lượng tử (external quantum efficiency: EQE) là 0.23% cho LED 261 nm. Công nghệ chế tạo UVLED này là kỹ thuật tạo AlN đa lớp sử dụng khí NH3 đối với MOCVD.

Một số cấu trúc khác cho bước sóng phát xạ cao hơn cũng được nghiên cứu: Nhóm Y. Aoyagi (Ritsumeikan Univ.) [44], [45] cũng thành công trong việc 278H 2 79H tạo mầm lớp AlN trên mặt của đế sapphire sử dụng phương pháp FM-MOCVD và sử dụng kỹ thuật SIMS để phát hiện oxy và carbon kết hợp thành nhiều lớp. Qua đó, họ nâng cao chất lượng lớp AlN trên đế sapphire. -4- Trong khu vực đông nam Á thì Đài Loan và Singapore đã đầu tư và phát triển mạnh công nghệ vi điện tử sản xuất chip, LED và các ứng dụng điện tử khác từ hơn 20 năm qua.

Họ đã có sự gắn kết chặt chẽ giữa nghiên cứu cơ bản trong các trường đại học và công nghệ chế tạo từ các công ty điện tử. VioLED International Inc tại Đài Loan sử dụng InGaN trên đế Si cho sản phẩm UVLED có cường độ dòng từ 20-100mA và công suất 80mW nhưng bước sóng tử ngoại là 370nm. Ý thức được vai trò của nguồn năng lượng chiếu sáng, Nhật bản, Singapore và một số nước khác đã có một chiến lược nghiên cứu tăng hiệu xuất các thiết bị chiếu sáng như sử dụng LED với vật liệu GaN và đầu tư nhiều thiết bị hiện đại cho R&D [45], [46], [47], [48], [49]. 280H 281H 282 H 283H 284H Cuối những năm 1977-1979, nhóm nghiên cứu thuộc Viện Khoa học Việt Nam đã chế tạo thành công LED công suất khoảng 0.1 W và có dòng điện cực đại 30mA.

Tuy nhiên, hiệu quả kinh tế không cao nên kết quả nghiên cứu không được đầu tư và phát triển tiếp. Trong những năm qua, LED từ thị trường nước ngoài đã có mặt tại Việt Nam bằng nhiều hình thức khác nhau và đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về quảng cáo điện tử từ phạm vi hẹp đến rộng. Tất cả các sản phẩm đều là các đèn chiếu sáng sử dụng LED do ưu điểm tiết kiệm điện. Hiện tại ở Việt Nam chưa có một đơn vị hay công ty nào đầu tư hoàn thiện qui trình từ nghiên cứu, chế tạo LED đến lắp ráp đèn.

Nguyễn Văn Khải [50] thuộc trung tâm tiết kiệm điện tại Hà Nội đã sản xuất thử nghiệm 28 5H các loại đèn sử dụng LED từ nước ngoài và thử nghiệm sử dụng tại các vùng mà lưới điện quốc gia chưa phủ hết. Một số loại đèn sử dụng LED có kiểu dáng đẹp, kết hợp tạo khí Ozone, tiết kiệm điện và giá cả hợp lý đã và đang được đưa vào thị trường. Một số nghiên cứu từ vật liệu, cấu trúc và linh kiện về LED được thực hiện tại Việt Nam trong những năm gần đây có sự gia tăng thể hiện sự quan tâm của các nhà Khoa học mà chủ yếu tại 2 trung tâm lớn của cả nước là Hà nội và -5- Tp.HCM về lĩnh vực chiếu sáng. Tác giả xin liệt kê tổng quan các nghiên cứu, tiếp cận và định hướng phối hợp.Chung [23] ĐHQG Hà Nội đã sử dụng diode phát ánh 286H sáng xanh dương nhờ chip InGaN được phủ bởi các màng hữu cơ MEH-PPV để tạo ra ánh sáng trắng.

Ưu điểm của MEH-PPV là dễ hòa tan trong các dung môi hữu cơ. MEH-PPV có phổ phát xạ màu vàng tại đỉnh 590 nm khi bị kích thích bởi ánh sáng xanh dương 450 nm. Nhóm giáo sư Nguyễn Đức Chiến (Viện Kỹ thuật, ĐHBK Hà nội) [04] đã nghiên cứu cấu trúc, tính chất quang và các ứng 287 H dụng của LED từ tinh thể Si trong màng SiO2 cho ánh sáng khả kiến. Tại ĐHQG Tp.Hồ Chi Minh, một đề tài cấp Nhà nước [24], [25] về LED 288H 28 9H chiếu sáng do PGS.

Đặng Mậu Chiến chủ nhiệm đã được thực hiện từ năm 2006 tại PTN Nano. LED được chế tạo theo phương pháp MOCVD trên đế sapphire nhưng nghiên cứu nhiều loại lớp bán dẫn khác nhau cho phát sáng và có sự hợp tác với các đồng nghiệp nước ngoài. Nhóm tác giả đã tiếp tục thành công với LED màu xanh [26], [27] nghiên cứu các kết quả của LED phát sáng, chúng 29 0H 291H tôi có thêm cơ sở khoa học đề xuất hướng nghiên cứu và mô phỏng chế tạo LED trong vùng tử ngoại. Tại Trung tâm R&D, khu công nghệ cao Tp.HCM (Saigon Hi-Tech Park, Quận 9) [20] thuộc UBND Tp.HCM, hệ chế tạo màng kim loại hữu cơ lắng đọng hơi hóa (MOCVD) có tên là AIX 2400G3 HT (CHLB Đức) đã được đầu tư và đang từng bước hoàn chỉnh lắp đặt.

Hệ thống này có thể chế tạo cấu trúc MQW dầy vài chục đến trăm nm với các lớp AlGaInN cho LED.