Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Tại Việt Nam, tiến trình công nghiệp hóa, đô thị hóa nhanh chóng và sự gia tăng dân số đã gây áp lực nặng nề lên nguồn tài nguyên nước. Theo đánh giá từ Bộ Y tế và Bộ Tài nguyên – Môi trường, trung bình mỗi năm có khoảng 9.000 người tử vong do nguồn nước ô nhiễm và điều kiện vệ sinh kém. Vi sinh vật gây bệnh trong nước thải y tế, nước thải sinh hoạt và chăn nuôi là tác nhân truyền nhiễm các bệnh dịch nguy hiểm như dịch tả, kiết lỵ, thương hàn, tiêu chảy.

Các phương pháp khử khuẩn truyền thống hiện nay bộc lộ nhiều hạn chế kỹ thuật:

  • Ozon ($O_3$) có hoạt tính oxy hóa mạnh nhưng độ bền rất kém, thời gian tồn tại trong nước chỉ kéo dài từ vài giây đến 30 phút, gây khó khăn cho việc duy trì hiệu quả khử trùng.
  • Các hợp chất clo hoạt tính ($Cl_2$, $NaOCl$, cloramin) có chi phí thấp nhưng phản ứng với các hợp chất hữu cơ tự nhiên hình thành các sản phẩm phụ độc hại như trihalometan (THMs), axit haloacetic (HAAs), chlorophenol, có nguy cơ gây ung thư.

Nhằm khắc phục các nhược điểm trên, xu hướng phát triển vật liệu nano từ tính đã thu hút sự quan tâm lớn. Oxit sắt từ nano ($Fe_3O_4$) sở hữu diện tích bề mặt riêng lớn, hoạt tính hấp phụ cao, đặc biệt có khả năng thu hồi và tách loại dễ dàng ra khỏi môi trường nước nhờ từ trường ngoài. Tuy nhiên, nếu sử dụng đơn lẻ, $Fe_3O_4$ chỉ có vai trò hấp phụ mà không có tính năng diệt khuẩn mạnh. Trong khi đó, các tác nhân diệt khuẩn hiệu năng cao như hạt bạc nano ($Ag$) hay polyme kháng khuẩn polyhexametylen guanidin hydroclorit ($PHMG$) khi dùng ở dạng tự do lại khó thu hồi, dễ gây thất thoát, làm tăng nguy cơ phát tán kim loại nặng hoặc hóa chất vào nguồn nước.

Đồng thời, ngành gia công cơ khí và sản xuất thép thải ra lượng lớn dung dịch tẩy gỉ chứa axit và muối sắt ($FeCl_2$ nồng độ khoảng 70–100 gFe/L, $pH < 0,1$), được phân loại là chất thải nguy hại. Phương pháp xử lý thông thường là trung hòa bằng vôi sống ($CaO$) tạo ra lượng bùn thải khổng lồ và tiềm ẩn rò rỉ kim loại nặng. Khoảng trống nghiên cứu mà luận án xác định là: chưa có công trình nào tích hợp việc tái chế dung dịch tẩy gỉ công nghiệp để chế tạo oxit sắt từ nano, sau đó chức năng hóa với polyme kháng khuẩn gốc guanidin ($PHMG$) hoặc hạt bạc nano nhằm tạo ra vật liệu nanocomposit từ tính vừa có hoạt tính diệt khuẩn cao, vừa thu hồi triệt để bằng từ trường để khử trùng nước thải.

Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu tổng quát của luận án là tổng hợp và đặc trưng tính chất của nanocomposit từ tính kháng khuẩn, sử dụng nguồn sắt thu hồi từ dung dịch tẩy gỉ thải bỏ của nhà máy sản xuất thép, biến tính với các tác nhân kháng khuẩn gồm hạt bạc nano và polyme gốc guanidin, tạo ra hệ vật liệu có hoạt tính diệt khuẩn cao, thân thiện môi trường và dễ dàng tách loại sau khi xử lý.

Bốn nội dung nghiên cứu cụ thể được triển khai theo văn bản:

  1. Tổng hợp và đặc trưng tính chất của oxit sắt từ nano từ dung dịch tẩy gỉ thải bỏ của nhà máy thép.
  2. Tổng hợp và đặc trưng tính chất của nanocomposit oxit sắt từ nano với nano bạc; khảo sát đánh giá hoạt tính kháng khuẩn của vật liệu.
  3. Tổng hợp và đặc trưng tính chất của polyguanidin và sử dụng để chức năng hóa oxit sắt từ nano; khảo sát đánh giá hoạt tính kháng khuẩn của vật liệu.
  4. Thử nghiệm ứng dụng vật liệu nanocomposit từ tính kháng khuẩn để xử lý mẫu nước thải thực tế.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu:
    • Dung dịch tẩy gỉ thải bỏ chứa muối sắt ($FeCl_2$) phát sinh từ quá trình gia công ống thép.
    • Hạt oxit sắt từ nano ($Fe_3O_4$), polyme polyhexametylen guanidin hydroclorit ($PHMG$), các polyme chất mang sinh học (chitosan, natri alginat), muối bạc nitrat ($AgNO_3$).
    • Các hệ nanocomposit: $Fe_3O_4/Chitosan/Ag$, hạt $Fe_3O_4-alginat/Ag$, $Fe_3O_4/PHMG$, $Fe_3O_4/PHMG$ biến tính liên kết chéo bằng epiclohydrin ($Fe_3O_4/PHMG-Ep$), và hạt $Fe_3O_4-alginat/PHMG$.
    • Vi sinh vật kiểm chứng: Vi khuẩn Gram âm (Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa), vi khuẩn Gram dương (Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis), và vi nấm (Candida albicans).
    • Nước thải y tế thực tế lấy từ cơ sở điều trị.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Không gian: Thực nghiệm chế tạo và phân tích đặc trưng hóa lý được tiến hành tại Phòng Nghiên cứu Ứng dụng và Triển khai Công nghệ – Viện Kỹ thuật nhiệt đới và Học viện Khoa học và Công nghệ (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam). Dung dịch tẩy gỉ thu thập từ Công ty TNHH Ống thép Hòa Phát (Hưng Yên). Mẫu nước thải thực tế khảo sát lấy tại Bệnh viện Y học cổ truyền Dân tộc Trung ương.
    • Thời gian: Các thực nghiệm nằm trong khuôn khổ đề tài Viện Hàn lâm KHCNVN mã số VAST07.04/17-18 và đề tài Quỹ NAFOSTED mã số 104.331; luận án hoàn thành và bảo vệ vào năm 2022.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tác giả đã hệ thống hóa các hướng nghiên cứu trong nước và quốc tế liên quan trực tiếp đến ba hợp phần cốt lõi của đề tài:

Các hướng nghiên cứu về vật liệu oxit sắt từ nano

  • Phương pháp chế tạo: Đồng kết tủa hóa học là phương pháp cổ điển do Massart và cộng sự (1981) đề xuất, sử dụng muối $Fe^{2+}$ và $Fe^{3+}$ theo tỷ lệ mol 1:2 trong môi trường kiềm. Pereira và cộng sự (2012) cải tiến đồng kết tủa một bước bằng alkaloamin tạo hạt $4,9–6,3\text{ nm}$. Lukowiec và cộng sự (2017) dùng axit tartaric kiểm soát kích thước hạt $2,9–12,2\text{ nm}$. Các phương pháp khác như thủy nhiệt, nhiệt phân chất hữu cơ chứa sắt (oleat sắt, $Fe(CO)_5$, $Fe(acac)_3$), hay sol-gel cũng được điểm lại nhưng đòi hỏi nhiệt độ cao hoặc dung môi hữu cơ đắt tiền.
  • Thu hồi dung dịch tẩy gỉ tạo oxit sắt: Tang và cộng sự (2009) đã tổng hợp thành công $Fe_3O_4$ nano từ dung dịch tẩy gỉ trong bể siêu âm $40\text{ kHz}$, điều chỉnh tỷ lệ $Fe^{3+}/Fe^{2+} = 2:1$ bằng $NaClO_4$ ở $pH = 13$, thu được hạt kích thước $13–23\text{ nm}$, từ độ bão hòa đạt $67,77\text{ emu/g}$.
  • Ứng dụng xử lý môi trường: Nassar và cộng sự (2010) dùng $Fe_3O_4$ nano hấp phụ $Pb(II)$ đạt dung lượng cực đại $36\text{ mg/g}$. Shen và cộng sự nghiên cứu hấp phụ các ion $Cd^{2+}$, $Cr^{6+}$, $Cu^{2+}$, $Ni^{2+}$. Gautam và cộng sự (2015) tách loại $Ni(II)$ tối ưu ở $pH = 8$. Nguyễn Thị Luyến và cộng sự (2018) nghiên cứu tổ hợp $Fe_3O_4$ – than sinh học để xử lý ion kim loại nặng và phẩm màu hữu cơ. Rocher và cộng sự (2008), Bée và cộng sự (2011), Germanos và cộng sự (2013) nghiên cứu tạo hạt alginat bọc $Fe_3O_4$ (kích thước milimet) để hấp phụ metylen xanh, metyl da cam, $Pb(II)$ và $Cu(II)$, cho phép thu hồi nhanh qua bẫy từ.

Các hướng nghiên cứu về nanocomposit $Fe_3O_4/Ag$

  • Gong và cộng sự (2007) chế tạo hạt $Fe_3O_4/Ag$ đường kính $60 \pm 20\text{ nm}$ bằng phương pháp micelle đảo, có hoạt tính kháng vi khuẩn và nấm.
  • Bhupendra và cộng sự (2009) chế tạo cấu trúc lõi - vỏ $Fe_3O_4-Ag$ bằng phân hủy nhiệt, ức chế E. coli, Proteus vulgaris, Bacillus megaterium, Staphylococcus aureus.
  • Prucek và cộng sự (2011) khử ion bạc bằng maltozơ với chất phân tán polyacrylat, xác định nồng độ ức chế tối thiểu (MIC) trên 10 chủng vi khuẩn đạt $15,6–125\text{ mg/L}$ và trên nấm Candida đạt $1,9–31,3\text{ mg/L}$.
  • Ghaseminezhad và cộng sự dùng tinh bột vừa làm chất ổn định $Fe_3O_4$, vừa làm tác nhân khử bạc.
  • Tại Việt Nam, Trần Đại Lâm và cộng sự (2015) tổng hợp hệ $Fe_3O_4/Ag$ phân tán trên nền chitosan (CS) có từ độ bão hòa cao ($67\text{ emu/g}$), kháng khuẩn mạnh đối với Pseudomonas aeruginosa. Lê Anh Tuấn và cộng sự tổng hợp hạt lai $Fe_3O_4-Ag$ qua phản ứng Tollens và chiếu xạ UV sử dụng axit oleic và glucose, ức chế chủng tụ cầu vàng kháng metixilin (MRSA).

Các hướng nghiên cứu về polyme kháng khuẩn gốc guanidin (PHMG)

  • Zhang và cộng sự (1999) tổng hợp polyhexametylen guanidin hydroclorit ($PHMG$) và polyhexametylen biguanidin hydroclorit ($PHMBG$) bằng phản ứng trùng ngưng giữa guanidin hydroclorit và hexametylen diamin, ghi nhận giá trị MIC trên vi khuẩn và nấm đều dưới $200\text{ }\mu\text{g/mL}$.
  • Oule và cộng sự (2008) khảo sát $PHMG$ trên S. aureus, P. aeruginosa, S. choleraesuis, MRSA, E. coli; chỉ ra rằng nồng độ $0,005%$ tiêu diệt hoàn toàn E. coli và $0,04%$ diệt MRSA trong $1,5\text{ phút}$, cơ chế là làm rách vỡ màng tế bào.
  • Lee và cộng sự (2010) chứng minh $PHMG$ kháng nấm Candida albicans mạnh hơn chất chống nấm amphoterixin B thông qua việc đục thủng màng tế bào với kích thước lỗ $2,3–3,3\text{ nm}$.
  • Yu và cộng sự (2020) dùng $PHMG$ ($150–200\text{ mg/L}$) để khử trùng rau ăn sống, đạt hiệu quả diệt E. coli và Listeria monocytogenes cao hơn axit axetic, axit citric và $NaOCl$.
  • Ở trong nước, Phạm Quốc Long và cộng sự khảo sát dẫn xuất guanidin. Nguyễn Việt Hưng (2019) nghiên cứu tổng hợp $PHMG$ khử khuẩn nước sông Tô Lịch, nước thải bệnh viện và lò mổ với hiệu quả tương đương cloramin B.
  • Nghiên cứu gắn $PHMG$ lên chất mang: Nikkola và cộng sự (2013) phủ $PVA/PHMG$ lên màng polyamid TFC PA chống bám bẩn; Cao Yiming và cộng sự (2014) ghép $PHMG$ lên màng siêu lọc polysulfon; Brzezinska và cộng sự (2015) phối trộn $PHMG$ mang trên hạt sáp vào mạng nền $PLA/PHB$; Chen và cộng sự (2015) tổng hợp hệ $GO-PEG-PHMG$ kháng khuẩn vượt trội so với graphen oxit đơn thuần.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Tổng quan cho thấy các nghiên cứu về $PHMG$ hầu hết dừng lại ở dạng dung dịch tan tự do, gây lãng phí hóa chất và khó thu hồi, hoặc ghép trên màng lọc cố định dễ bị suy giảm lưu lượng dòng chảy. Luận án chọn giải quyết mắt xích: Chế tạo hạt nano từ $Fe_3O_4$ trực tiếp từ chất thải nguy hại (dung dịch tẩy gỉ nhà máy thép) bằng quy trình kết tủa đơn giản với $Ca(OH)_2$ ở nhiệt độ phòng; sau đó lần đầu tiên chức năng hóa bề mặt hạt nano từ này với $PHMG$ kết hợp khâu mạch bằng epiclohydrin để cố định polyme, tạo ra vật liệu nanocomposit từ tính kháng khuẩn có khả năng thu hồi hoàn toàn bằng từ trường ngoài, ứng dụng trực tiếp khử trùng nước thải y tế thực tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

  • Hiện tượng siêu thuận từ (Superparamagnetism): Khi kích thước tinh thể của hạt oxit sắt từ giảm xuống dưới giới hạn tới hạn (khoảng dưới $20\text{ nm}$ đối với $Fe_3O_4$), năng lượng nhiệt ở nhiệt độ phòng đủ lớn để thắng thế rào cản dị hướng từ. Do đó, hạt nano không duy trì độ từ dư khi ngắt từ trường ngoài (lực kháng từ $H_c = 0$), không bị vón tụ do lực hút từ tính dư thừa, nhưng lại nhanh chóng bị định hướng và hút mạnh về phía nam châm khi đặt trong từ trường ngoài.
  • Cộng hưởng plasmon bề mặt (SPR) của nano bạc: Sự tương tác giữa điện trường của ánh sáng kích thích với các electron tự do trong dải dẫn của hạt nano bạc tạo ra dao động tập thể đồng pha, làm xuất hiện dải hấp thụ quang học đặc trưng trong vùng bước sóng $400–450\text{ nm}$ trên phổ UV-Vis.
  • Cơ chế kháng khuẩn:
    • Của hạt nano Ag: Sự tiếp xúc vật lý làm biến dạng màng tế bào, giải phóng ion $Ag^+$ phản ứng với các nhóm mang lưu huỳnh (-SH) của enzyme hô hấp tế bào, đồng thời tạo ra các gốc tự do gây phá vỡ tính toàn vẹn của màng vi sinh vật.
    • Của polyme gốc guanidin (PHMG): Các nhóm cation mang điện tích dương trên mạch polycation tương tác tĩnh điện mạnh với các phospholipid mang điện tích âm trên màng tế bào vi khuẩn, làm mất cân bằng áp suất thẩm thấu, đục thủng màng và giải phóng dịch tế bào ra ngoài môi trường.
    • Cơ chế liên kết chéo bằng Epiclohydrin (Ep): Epiclohydrin đóng vai trò tác nhân khâu mạch, phản ứng với các nhóm amin trên mạch $PHMG$ hoặc giữa $PHMG$ với nhóm chức bề mặt hạt mang, tạo liên kết cộng hóa trị bền vững ngăn chặn hiện tượng rửa trôi, hòa tan $PHMG$ vào môi trường nước.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

  • Quy trình tổng hợp vật liệu:

    • Chế tạo $Fe_3O_4$ từ dung dịch tẩy gỉ: Phản ứng kết tủa kiềm hóa bằng cách nhỏ từ từ dung dịch tẩy gỉ vào dung dịch $Ca(OH)_2$ bão hòa ở nhiệt độ phòng, khuấy cơ học trong $1\text{ giờ}$, thu hồi kết tủa đen bằng nam châm, rửa sạch bằng nước cất đến $pH = 7$, sấy chân không ở $60^\circ\text{C}$ trong $24\text{ giờ}$. Khảo sát các thông số: tốc độ khuấy ($200–800\text{ vòng/phút}$) và nồng độ $Fe^{2+}$ ($0,5–1,3\text{ g/L}$).
    • Chế tạo $Fe_3O_4-CS/Ag$: Hòa tan chitosan (CS) nồng độ $0,1%$, $0,25%$, $0,5%$ trong axit axetic $1%$. Phân tán $0,5\text{ g } Fe_3O_4$ vào $50\text{ mL}$ dung dịch CS, thêm dung dịch $AgNO_3$ $0,1\text{ M}$, khuấy đều và khử ion bạc thành kim loại bằng dung dịch $NaBH_4$ $1\text{ M}$. Thu hồi bằng nam châm và sấy chân không.
    • Chế tạo hạt $Fe_3O_4-alginat/Ag$: Nhỏ dung dịch hỗn hợp natri alginat ($10\text{ g/L}$) chứa các tỷ lệ bột $Fe_3O_4$ ($10%$, $25%$, $40%$, $75%$) vào dung dịch $CaCl_2$ $0,3\text{ M}$ qua đầu kim xi lanh để tạo hạt cầu gel ion. Hạt sau khi ổn định được ngâm vào dung dịch $AgNO_3$ với các nồng độ $5, 10, 15, 20\text{ mM}$ và khử bằng $NaBH_4$ $0,15\text{ M}$ theo tỷ lệ mol 1:1.
    • Tổng hợp $PHMG$: Phản ứng trùng ngưng nhiệt độ cao giữa guanidin hydroclorit (GHC) và hexametylen diamin (HMDA) có xúc tác axit citric, giải phóng khí amoniac ($NH_3$).
    • Biến tính khâu mạch $Fe_3O_4/PHMG-Ep$: Chức năng hóa $Fe_3O_4$ bằng $PHMG$, sau đó đưa tác nhân epiclohydrin vào phản ứng tạo liên kết chéo. Tạo hạt $Fe_3O_4-alginat/PHMG$ bằng kỹ thuật tạo giọt tương tự hệ mang bạc.

  • Các phương pháp đặc trưng cấu trúc và hóa lý:

    • Nhiễu xạ tia X (XRD): Nhận diện cấu trúc mạng tinh thể lập phương tâm mặt của $Fe_3O_4$ và pha tinh thể của hạt bạc.
    • Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR): Nhận danh các liên kết dao động đặc trưng $Fe-O$, nhóm $-NH-$, $-OH$, guanidin và vòng oxiran.
    • Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX): Phân tích thành phần nguyên tố định tính và bán định lượng.
    • Hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FE-SEM) và hiển vi điện tử truyền qua (TEM): Quan sát hình thái học, cấu trúc bề mặt và phân bố kích thước hạt nano.
    • Từ kế mẫu rung (VSM): Đo đường cong từ hóa $M-H$ ở nhiệt độ phòng để xác định từ độ bão hòa ($M_s$) và lực kháng từ ($H_c$).
    • Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA): Đánh giá độ bền nhiệt và tỷ lệ phần trăm khối lượng polyme gắn kết trên lõi oxit sắt từ.
    • Quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis: Xác định cực đại hấp thụ plasmon của hạt nano bạc.
    • Phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) và phổ khối plasma cảm ứng (ICP-MS): Phân tích hàm lượng kim loại nặng trong dung dịch tẩy gỉ, độ sạch của oxit sắt từ và nồng độ bạc nano trong nanocomposit.
    • Đo độ nhớt (nhớt kế mao quản): Xác định độ nhớt đặc trưng của $PHMG$ để suy đoán sự biến đổi khối lượng phân tử.
    • Phương pháp kiểm tra vi sinh: Đục lỗ thạch đo đường kính vòng vô khuẩn; xác định nồng độ ức chế tối thiểu MIC và $IC_{50}$; đếm khuẩn lạc $CFU/mL$; phương pháp đếm số có xác suất lớn nhất (MPN) theo quy chuẩn quốc gia để đánh giá tổng Coliform trong nước thải.

Nguồn vật liệu và dữ liệu

  • Nguồn nguyên liệu chính: Dung dịch tẩy gỉ thải bỏ lấy từ dây chuyền sản xuất của Công ty TNHH Ống thép Hòa Phát (Hưng Yên).
  • Chitosan: Khối lượng phân tử $382\text{ kDa}$, độ deaxetyl hóa $84,5%$ (sản phẩm của Viện Hóa học – Viện Hàn lâm KHCNVN).
  • Natri alginat chiết xuất từ tảo nâu (Viện Nghiên cứu và Ứng dụng công nghệ Nha Trang).
  • Tiền chất hóa học: Hexametylen diamin ($99%$), Guanidin hydroclorit ($99,5%$) của hãng Sigma-Aldrich; $AgNO_3$, Epiclohydrin, $NaBH_4$, axit citric, axit axetic của hãng Merck (Đức); các muối vô cơ $CaCl_2$, $Ca(OH)_2$ tinh khiết phân tích của hãng Xilong.
  • Mẫu nước thải y tế thực tế lấy trực tiếp tại nguồn thải của Bệnh viện Y học cổ truyền Dân tộc Trung ương.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Hiện trạng ô nhiễm vi sinh vật và các vật liệu khử trùng định hướng nano từ

Chương 1 tổng thuật thực trạng ô nhiễm nguồn nước mặt và nước ngầm tại Việt Nam do vi sinh vật gây bệnh, đặc biệt phân tích đặc điểm ba nguồn thải: nước thải sinh hoạt (chứa nhiều hợp chất hữu cơ $150–450\text{ mg/L}$, tổng Coliform vượt $10^7\text{ CFU/100mL}$), nước thải chăn nuôi (phát sinh hơn 86,7 triệu tấn phân gia súc năm 2016, nồng độ vi sinh $10^7–10^8\text{ CFU/mL}$), và nước thải y tế (chứa vi khuẩn gây bệnh thương hàn, tả, lỵ, tổng Coliform thực tế từ $10^6$ đến $10^9\text{ MPN/100mL}$, vượt xa ngưỡng $3.000–5.000\text{ MPN/100mL}$ của QCVN 28:2010/BTNMT).

Tác giả so sánh các phương pháp khử khuẩn vật lý (tia UV, màng lọc, nhiệt, siêu âm), hóa học (các chế phẩm clo hoạt tính, $H_2O_2$, $O_3$) và hóa lý (điện phân). Luận án làm rõ cơ sở lý thuyết về cấu trúc tinh thể mạng spinel lập phương tâm mặt của magnetit ($Fe_3O_4$) và maghemit ($\gamma-Fe_2O_3$), tính chất siêu thuận từ xuất hiện khi kích thước hạt giảm xuống dưới ngưỡng $20\text{ nm}$. Tác giả phân tích các hạn chế của phương pháp trung hòa dung dịch tẩy gỉ thép bằng vôi sống và chỉ ra tiềm năng của việc thu hồi sắt tái sinh hạt nano $Fe_3O_4$. Phân tích tổng quan chỉ rõ ưu thế và hạn chế của nano bạc, cũng như đặc tính diệt khuẩn phổ rộng không mùi, không ăn mòn của dòng polyguanidin ($PHMG$), từ đó xác lập tính tất yếu của việc chế tạo các nanocomposit từ tính đa chức năng.

Chương 2: Các phương pháp nghiên cứu và thực nghiệm

Nội dung chương 2 mô tả chi tiết các hóa chất, thiết bị và thông số kỹ thuật vận hành trong quá trình thực nghiệm:

  1. Tổng hợp $Fe_3O_4$ từ dung dịch tẩy gỉ: Thiết lập hệ phản ứng với $300\text{ mL}$ dung dịch $Ca(OH)_2$ bão hòa, nhỏ giọt dung dịch tẩy gỉ trong $1\text{ giờ}$ ở nhiệt độ phòng. Khảo sát 4 mức tốc độ khuấy ($200, 400, 600, 800\text{ vòng/phút}$) và 5 mức nồng độ $Fe^{2+}$ ($0,5; 0,9; 1,1; 1,2; 1,3\text{ g/L}$).
  2. Tổng hợp nanocomposit $Fe_3O_4-CS/Ag$: Cố định $0,5\text{ g } Fe_3O_4$ trong $50\text{ mL}$ chitosan nồng độ $0,1%$, $0,25%$, $0,5%$; tạo hạt bạc bằng $20\text{ mL } AgNO_3\text{ }0,1\text{ M}$ và khử bằng $2\text{ mL } NaBH_4\text{ }1\text{ M}$.
  3. Tổng hợp hạt nanocomposit $Fe_3O_4-alginat/Ag$: Tối ưu nồng độ alginat ($2, 5, 10, 15\text{ g/L}$) và tỷ lệ phối trộn $Fe_3O_4$ ($10%, 25%, 40%, 75%$). Khảo sát nồng độ $AgNO_3$ từ $5\text{ mM}$ đến $20\text{ mM}$.
  4. Tổng hợp $PHMG$ và biến tính nanocomposit: Phản ứng trùng ngưng $GHC$ và $HMDA$ theo tỷ lệ mol xác định có mặt axit citric. Tiến hành biến tính khâu mạch bằng epiclohydrin để cố định polyme lên bề mặt hạt từ tính ($Fe_3O_4/PHMG-Ep$) và tạo hạt gel $Fe_3O_4-alginat/PHMG$.
  5. Hệ thống phân tích: Trình bày chi tiết nguyên lý và thiết bị đo các phổ XRD, FTIR, EDX, FE-SEM, TEM, VSM, TGA, UV-Vis, AAS, ICP-MS; phương pháp khảo sát động học tan nhả $PHMG$ và các phép thử hoạt tính kháng khuẩn in vitro trên các đĩa thạch và mẫu nước thải thực tế.

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm với các chuỗi số liệu được phân tích theo 4 hợp phần:

1. Tổng hợp oxit sắt từ nano từ dung dịch tẩy gỉ

Phân tích thành phần ban đầu của dung dịch tẩy gỉ thu từ Công ty TNHH Ống thép Hòa Phát cho thấy hàm lượng $Fe^{2+}$ rất cao cùng một lượng nhỏ kim loại nặng tạp chất. Phản ứng kết tủa với $Ca(OH)_2$ bão hòa ở nhiệt độ phòng tạo ra bột $Fe_3O_4$ màu xám đen. Kết quả đo VSM cho thấy đường cong từ hóa không xuất hiện hiện tượng trễ ($H_c = 0$), chứng minh vật liệu có tính chất siêu thuận từ. Tốc độ khuấy $600\text{ vòng/phút}$ và nồng độ $Fe^{2+} \approx 1,1–1,2\text{ g/L}$ cho giá trị từ độ bão hòa ($M_s$) đạt mức cao nhất.

Giản đồ XRD xác nhận các đỉnh nhiễu xạ đặc trưng trùng khớp với cấu trúc spinel lập phương của pha $Fe_3O_4$. Phổ FTIR ghi nhận dải hấp thụ mạnh ở vùng bước sóng quanh $570\text{ cm}^{-1}$ tương ứng với dao động liên kết $Fe-O$. Ảnh FESEM và TEM cho thấy hạt có dạng cầu, kích thước phân bố trong khoảng $15–30\text{ nm}$. Phân tích EDX và AAS khẳng định sau quá trình rửa bằng nước cất đến $pH$ trung tính, hàm lượng các kim loại nặng độc hại trong sản phẩm đã giảm xuống mức an toàn, đáp ứng yêu cầu làm vật liệu xử lý nước.

2. Tổng hợp nanocomposit oxit sắt từ với hạt bạc nano

  • Hệ nanocomposit $Fe_3O_4-CS/Ag$: Phổ UV-Vis ghi nhận đỉnh hấp thụ plasmon bề mặt đặc trưng của hạt nano bạc ở bước sóng khoảng $410–420\text{ nm}$. Khi tăng nồng độ chitosan từ $0,1%$ lên $0,5%$, lượng bạc phân tán trên chất mang tăng dần theo dữ liệu phổ EDX. Đường cong từ hóa cho thấy từ tính bão hòa có xu hướng giảm nhẹ do sự xuất hiện của các pha hữu cơ và bạc nghịch từ, nhưng giá trị $M_s$ vẫn duy trì ở mức đủ cao để thu hồi hoàn toàn bằng nam châm thông thường. Thử nghiệm kháng khuẩn trên chủng E. coli ghi nhận đường kính vòng vô khuẩn mở rộng tương ứng với hàm lượng bạc gắn kết.
  • Hệ nanocomposit dạng hạt $Fe_3O_4-alginat/Ag$: Khảo sát ảnh hưởng nồng độ alginat cho thấy nồng độ $10\text{ g/L}$ hình thành hạt cầu đều đặn và có độ bền cơ lý tốt nhất khi nhỏ vào dung dịch $Ca^{2+} 0,3\text{ M}$. Hàm lượng $Fe_3O_4$ phối trộn ở mức $40%$ đảm bảo hạt có từ tính mạnh mà không phá vỡ liên kết mạng lưới gel alginat. Phân tích ICP-MS xác định hàm lượng bạc tăng tỷ lệ thuận với nồng độ dung dịch $AgNO_3$ ban đầu ($5–15\text{ mM}$). Hiệu quả diệt khuẩn E. coli đạt tỷ lệ cao, cho phép tách loại hạt ra khỏi nước bằng vợt từ hoặc từ trường ngoài sau phản ứng.

3. Tổng hợp nanocomposit $Fe_3O_4/PHMG$ và biến tính khâu mạch

Sản phẩm trùng ngưng $PHMG$ được xác định độ nhớt đặc trưng thông qua nhớt kế mao quản Ubbelohde. Các thử nghiệm vi sinh khẳng định $PHMG$ tự do có hoạt tính ức chế cực mạnh đối với cả vi khuẩn Gram âm (E. coli), vi khuẩn Gram dương (S. aureus, B. subtilis) và nấm (C. albicans) với nồng độ ức chế tối thiểu MIC ở mức rất thấp.

Khi chức năng hóa $Fe_3O_4$ với $PHMG$, phổ FTIR xuất hiện các đỉnh dao động biến dạng của nhóm guanidin ở $1630\text{ cm}^{-1}$ và $1580\text{ cm}^{-1}$. Giản đồ nhiệt TGA xác định tỷ lệ khối lượng $PHMG$ bao bọc trên hạt nano từ tính. Tuy nhiên, khảo sát động học giải phóng cho thấy vật liệu $Fe_3O_4/PHMG$ chưa biến tính bị rửa trôi polyme đáng kể khi tiếp xúc lâu trong môi trường nước.

Để khắc phục hiện tượng này, tác giả đã tiến hành khâu mạch bằng epiclohydrin ($Fe_3O_4/PHMG-Ep$). Phổ FTIR của sản phẩm sau biến tính ghi nhận sự mở vòng oxiran và hình thành liên kết bền vững giữa các mạch phân tử. Kết quả thử nghiệm động học tan nhả khẳng định lượng $PHMG$ bị rửa trôi giảm hẳn, giúp vật liệu duy trì hoạt tính diệt khuẩn bền vững qua nhiều lần tiếp xúc. Cả hai hệ $Fe_3O_4/PHMG$ và $Fe_3O_4/PHMG-Ep$ đều thể hiện khả năng tiêu diệt E. coli triệt để ở nồng độ vật liệu chỉ từ $2\text{ ppm}$ sau thời gian tiếp xúc $5\text{ phút}$.

4. Thử nghiệm khử trùng mẫu nước thải bệnh viện

Mẫu nước thải thu thập từ Bệnh viện Y học cổ truyền Dân tộc Trung ương có các chỉ số ô nhiễm vi sinh vật rất cao (tổng Coliform vượt ngưỡng cho phép của quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 28:2010/BTNMT). Tác giả tiến hành xử lý mẫu nước thải bằng vật liệu nanocomposit từ tính $Fe_3O_4/PHMG-Ep$ ở các liều lượng $10\text{ ppm}$ và $30\text{ ppm}$, so sánh đối chứng với $PHMG$ tự do nồng độ $5\text{ ppm}$. Kết quả phân tích mật độ Coliform sau xử lý cho thấy vi khuẩn bị ức chế hoàn toàn, mẫu nước đạt tiêu chuẩn xả thải theo quy định hiện hành, đồng thời hạt từ tính được thu hồi nhanh chóng khỏi nước bằng nam châm, không làm phát sinh bùn lắng hay tồn dư hóa chất độc hại.

Bảng danh mục thực nghiệm Hệ vật liệu / Mẫu khảo sát Phương pháp phân tích Kết quả và chỉ số chính ghi nhận
Bảng 3.1 & 3.4 Dung dịch tẩy gỉ và hạt $Fe_3O_4$ AAS, ICP-MS Nồng độ $Fe^{2+}$ ban đầu $70–100\text{ g/L}$; hàm lượng kim loại nặng trong $Fe_3O_4$ sau rửa giảm về mức vết an toàn
Bảng 3.3 Vật liệu $Fe_3O_4$ thu hồi EDX, VSM Cấu trúc $Fe_3O_4$ spinel tinh khiết, hạt $15–30\text{ nm}$, không có lực kháng từ ($H_c = 0$, siêu thuận từ)
Bảng 3.5 & 3.6 Nanocomposit $Fe_3O_4-CS/Ag$ EDX, đục lỗ thạch Nồng độ bạc tăng theo nồng độ CS ($0,1–0,5%$); đường kính vòng vô khuẩn trên E. coli tăng tỷ lệ thuận
Bảng 3.7, 3.8 & 3.9 Hạt $Fe_3O_4-alginat/Ag$ ICP-MS, đếm khuẩn Định lượng hàm lượng Ag với các nồng độ $AgNO_3$ ($5–15\text{ mM}$); hiệu suất diệt E. coli đạt tỷ lệ tuyệt đối
Bảng 3.10 & 3.11 Polyme $PHMG$ nguyên bản Nhớt kế Ubbelohde, pha loãng Xác định độ nhớt đặc trưng; giá trị MIC và $IC_{50}$ trên E. coli, S. aureus, C. albicans ở mức rất thấp
Bảng 3.12, 3.14 & 3.15 $Fe_3O_4/PHMG$ và $Fe_3O_4/PHMG-Ep$ TGA, FTIR, thử khuẩn Biến tính epiclohydrin giúp chống tan nhả $PHMG$; tiêu diệt hoàn toàn E. coli ở nồng độ $2\text{ ppm}$ sau $5\text{ phút}$
Bảng 3.17 & 3.18 Nước thải Bệnh viện YHCT Dân tộc TW Phương pháp MPN Tổng Coliform ban đầu $10^6–10^9\text{ MPN/100mL}$; sau xử lý bằng $10–30\text{ ppm } Fe_3O_4/PHMG-Ep$ đạt chuẩn QCVN 28:2010

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học

  1. Đã thiết lập được quy trình công nghệ tổng hợp oxit sắt từ nano ($Fe_3O_4$) có tính siêu thuận từ trực tiếp từ nguồn chất thải công nghiệp nguy hại là dung dịch tẩy gỉ của nhà máy sản xuất thép, thông qua phản ứng kết tủa một giai đoạn sử dụng tác nhân kiềm hóa giá rẻ $Ca(OH)_2$ ở nhiệt độ phòng và áp suất thường.
  2. Đã làm sáng tỏ các quy luật phân tán và tương tác bề mặt giữa oxit sắt từ nano với các tác nhân diệt khuẩn nano bạc và polycation $PHMG$ trên các chất mang tự nhiên (chitosan, natri alginat).
  3. Lần đầu tiên nghiên cứu tổng hợp thành công vật liệu nanocomposit từ tính giữa $Fe_3O_4$ và polyme kháng khuẩn gốc guanidin ($PHMG$); đặc biệt đã làm chủ kỹ thuật khâu mạch bằng epiclohydrin ($Fe_3O_4/PHMG-Ep$), giải quyết triệt để vấn đề hòa tan, rửa trôi của polyme polycation trong môi trường nước, giúp vật liệu giữ vững hoạt tính diệt khuẩn lâu dài.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn

  1. Cung cấp một giải pháp tuần hoàn chất thải hiệu quả: biến dung dịch tẩy gỉ độc hại từ các nhà máy sản xuất thép thành sản phẩm vật liệu nano từ tính có giá trị gia tăng cao, góp phần giảm thiểu lượng bùn thải chứa kim loại nặng xả ra môi trường.
  2. Chế tạo thành công các dạng vật liệu nanocomposit diệt khuẩn (dạng bột mịn phân tán và dạng hạt hình cầu kích thước milimet) có hoạt tính diệt khuẩn phổ rộng trên cả vi khuẩn Gram âm, Gram dương và nấm.
  3. Ứng dụng thành công vật liệu trong việc khử trùng nguồn nước thải y tế thực tế tại Bệnh viện Y học cổ truyền Dân tộc Trung ương. Nước sau xử lý có chỉ số tổng Coliform đáp ứng quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 28:2010/BTNMT, vật liệu được thu hồi triệt để bằng từ trường ngoài, không để lại dư lượng clo hay sản phẩm phụ halogen-hữu cơ gây hại cho hệ sinh thái.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Cần tiếp tục nghiên cứu thiết kế và chế tạo các thiết bị phân tách từ tính liên tục quy mô pilot để đánh giá tính khả thi kỹ thuật khi xử lý lưu lượng nước thải lớn tại các trạm xử lý tập trung.
  • Mở rộng phạm vi thử nghiệm của hệ vật liệu trên các nguồn nước thải có tính chất ô nhiễm hữu cơ và độ đục phức tạp hơn như nước thải chăn nuôi lợn và nước thải các cơ sở giết mổ gia súc.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

  • Các thực nghiệm đánh giá hiệu quả khử khuẩn và thu hồi hạt từ tính trong luận án chủ yếu thực hiện ở quy mô phòng thí nghiệm theo phương thức mẻ (batch) với thể tích nhỏ, chưa phản ánh đầy đủ các yếu tố thủy động học của dòng chảy liên tục.
  • Mẫu nước thải thực tế mới chỉ được khảo sát tại một cơ sở y tế duy nhất (Bệnh viện Y học cổ truyền Dân tộc Trung ương), chưa đánh giá trên các nền nước thải y tế có chứa dư lượng kháng sinh hoặc hóa chất xét nghiệm phức tạp hơn.
  • Độ bền cơ lý và khả năng tái sinh, tái sử dụng của hạt vật liệu sau nhiều chu kỳ khử trùng liên tiếp trong điều kiện thực địa chưa được khảo sát chi tiết.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Khảo sát độ bền của các liên kết khâu mạch epiclohydrin và sự suy giảm hoạt tính kháng khuẩn của nanocomposit sau $10–20$ chu kỳ thu hồi và tái sử dụng bằng từ trường.
  • Thiết kế hệ thống cột lọc dòng chảy liên tục có trang bị hệ thống nam châm điện để tự động hóa quá trình giữ hạt, rửa ngược và thu hồi vật liệu.
  • Đánh giá ảnh hưởng của các ion cạnh tranh hòa tan ($SO_4^{2-}$, $Cl^-$, $PO_4^{3-}$) và hàm lượng chất hữu cơ (COD, BOD) nồng độ cao trong nước thải chăn nuôi tới hiệu quả diệt khuẩn của vật liệu.

Giá trị tham khảo

Đối tượng thụ hưởng

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Thuộc các chuyên ngành Hóa lý thuyết và Hóa lý, Hóa môi trường, Khoa học vật liệu, Kỹ thuật môi trường có thể sử dụng luận án làm tài liệu tham khảo chi tiết về phương pháp tổng hợp hạt nano từ tính, cơ chế phản ứng trùng ngưng polyme $PHMG$, và các kỹ thuật biến tính bề mặt vật liệu vô cơ - hữu cơ.
  • Kỹ sư và nhà công nghệ môi trường: Có thể tham khảo quy trình thực nghiệm, các thông số về liều lượng xử lý, thời gian tiếp xúc và hiệu quả khử trùng đối với vi khuẩn chỉ thị để ứng dụng trong thiết kế các cụm công trình xử lý nước thải y tế và nước thải sinh hoạt.
  • Doanh nghiệp luyện kim và quản lý chất thải công nghiệp: Tham khảo quy trình thu hồi và tái chế dung dịch tẩy gỉ chứa muối sắt $FeCl_2$, biến chất thải nguy hại thành vật liệu xử lý môi trường nhằm giảm chi phí xử lý chất thải theo mô hình kinh tế tuần hoàn.

Các nội dung đáng tham khảo chuyên sâu

  • Quy trình kết tủa điều chế hạt $Fe_3O_4$ nano từ dung dịch tẩy gỉ thép với $Ca(OH)_2$ ở điều kiện nhiệt độ phòng.
  • Phương pháp khâu mạch $PHMG$ bằng epiclohydrin để cố định polyme kháng khuẩn lên bề mặt vật liệu vô cơ, hạn chế sự tan nhả.
  • Phương pháp chế tạo hạt composite từ tính dạng cầu bằng kỹ thuật gel hóa ion với alginat và ion $Ca^{2+}$ giúp dễ dàng phân tách cơ học kết hợp từ trường.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao tác giả lại lựa chọn dung dịch tẩy gỉ từ nhà máy sản xuất thép làm tiền chất tổng hợp oxit sắt từ nano?

Dung dịch tẩy gỉ thép là chất thải nguy hại phát sinh với khối lượng lớn, có độ axit rất cao ($pH < 0,1$) và nồng độ sắt hòa tan ($FeCl_2$) lớn (khoảng $70–100\text{ gFe/L}$). Xử lý bằng cách trung hòa bằng vôi sống thông thường tạo ra lượng bùn thải khổng lồ và tiềm ẩn nguy cơ ô nhiễm nguồn nước ngầm. Việc sử dụng nguồn chất thải này làm tiền chất vừa giải quyết bài toán xử lý chất thải công nghiệp nguy hại, vừa cung cấp nguồn nguyên liệu sắt giá thành thấp để chế tạo hạt oxit sắt từ nano ($Fe_3O_4$) có giá trị sử dụng cao.

2. Vai trò của Chitosan và Alginat trong việc tổng hợp các hệ nanocomposit từ tính mang nano bạc là gì?

Chitosan và alginat đóng vai trò là các polyme chất mang và chất ổn định sinh học. Trong cấu trúc của chitosan có các nhóm chức $-OH$ và $-NH_2$, còn alginat chứa các nhóm carboxyl ($-COOH$) và hydroxyl ($-OH$). Các nhóm chức này đóng vai trò là các tâm phối trí liên kết với bề mặt hạt nano $Fe_3O_4$ và bẫy các ion bạc ($Ag^+$), ngăn chặn hiện tượng kết tụ hạt nano, hỗ trợ quá trình khử ion bạc thành hạt nano bạc kim loại phân tán đều, đồng thời alginat cho phép tạo hạt dạng cầu kích thước milimet bền vững thông qua phản ứng tạo gel với ion $Ca^{2+}$.

3. Mục đích của việc sử dụng Epiclohydrin (Ep) để biến tính nanocomposit $Fe_3O_4/PHMG$ là gì?

Polyme $PHMG$ là một polycation tan rất tốt trong nước. Khi phủ trực tiếp lên bề mặt hạt $Fe_3O_4$, lực liên kết vật lý không đủ mạnh khiến $PHMG$ nhanh chóng bị tan nhả và rửa trôi vào môi trường nước trong quá trình xử lý, làm giảm tuổi thọ vật liệu và gây tồn dư hóa chất. Việc đưa epiclohydrin vào phản ứng tạo ra các liên kết chéo cộng hóa trị bền vững giữa các mạch phân tử $PHMG$ và liên kết với bề mặt hạt từ, giúp cố định polyme kháng khuẩn, kiểm soát chặt chẽ sự tan nhả và duy trì hoạt tính diệt khuẩn bền vững.

4. Hoạt tính kháng khuẩn của vật liệu nanocomposit từ tính trong luận án được kiểm chứng trên các chủng vi sinh vật nào?

Hoạt tính kháng khuẩn được đánh giá toàn diện trên cả ba nhóm vi sinh vật:

  • Vi khuẩn Gram âm: Escherichia coli ($E. coli$), Pseudomonas aeruginosa ($P. aeruginosa$).
  • Vi khuẩn Gram dương: Staphylococcus aureus ($S. aureus$), Bacillus subtilis ($B. subtilis$).
  • Vi nấm: Candida albicans ($C. albicans$). Ngoài ra, hiệu quả khử khuẩn còn được kiểm chứng thông qua việc xác định mật độ tổng Coliform trong mẫu nước thải y tế thực tế.

5. Kết quả thử nghiệm xử lý nước thải thực tế tại Bệnh viện Y học cổ truyền Dân tộc Trung ương đạt hiệu quả như thế nào?

Mẫu nước thải thực tế có mật độ tổng Coliform ban đầu rất cao ($10^6–10^9\text{ MPN/100mL}$). Sau khi xử lý bằng vật liệu nanocomposit $Fe_3O_4/PHMG-Ep$ ở nồng độ $10–30\text{ ppm}$, toàn bộ vi khuẩn chỉ thị Coliform bị ức chế hoàn toàn, đáp ứng quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải y tế QCVN 28:2010/BTNMT (quy định ngưỡng $3.000–5.000\text{ MPN/100mL}$). Vật liệu sau phản ứng được thu gom và tách loại triệt để ra khỏi dòng nước bằng từ trường của nam châm mà không để lại dư lượng độc hại.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Lê Thị Thu Hà đã hoàn thành các mục tiêu khoa học đề ra khi tận dụng thành công dung dịch tẩy gỉ thải bỏ từ nhà máy thép để chế tạo oxit sắt từ nano $Fe_3O_4$ có tính siêu thuận từ bằng quy trình kết tủa kiềm hóa ở nhiệt độ phòng. Công trình đã làm chủ công nghệ chức năng hóa bề mặt hạt nano từ tính với các tác nhân diệt khuẩn gồm nano bạc và polyme polyhexametylen guanidin hydroclorit ($PHMG$), đặc biệt là giải pháp khâu mạch bằng epiclohydrin giúp ngăn chặn hiện tượng rửa trôi polyme trong môi trường nước. Các hệ vật liệu nanocomposit tạo thành thể hiện hoạt tính diệt khuẩn mạnh trên phổ rộng và được ứng dụng thành công để xử lý đạt quy chuẩn nguồn nước thải y tế thực tế từ Bệnh viện Y học cổ truyền Dân tộc Trung ương. Kết quả nghiên cứu không chỉ đóng góp cơ sở khoa học cho lĩnh vực hóa học vật liệu nanocomposit từ tính mà còn mở ra hướng đi thực tiễn trong công nghệ tái chế chất thải công nghiệp gắn liền với bảo vệ môi trường nước.