Nghiên Cứu Về Vật Liệu Nano Trong Xử Lý Ô Nhiễm Vi Sinh Vật

• Tác giả: NCS. Lê Thị Thu Hà
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Tuấn Dung
• Trường học: Học viện Khoa học và Công nghệ
• Chuyên ngành: Vật liệu Nano
• Đề tài: Nghiên Cứu Về Vật Liệu Nano Trong Xử Lý Ô Nhiễm Vi Sinh Vật
• Loại tài liệu: Luận án

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. MỤC LỤC
• 1.1. DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• 1.2. DANH MỤC CÁC BẢNG
• 1.3. DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
• 1.4. MỞ ĐẦU
• 1.4.1. HIỆN TRẠNG Ô NHIỄM VI SINH VẬT VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ
• 1.4.1.1. Hiện trạng nước thải nhiễm vi sinh vật
• 1.4.1.1.1. Nước thải sinh hoạt
• 1.4.1.1.2. Nước thải chăn nuôi
• 1.4.1.1.3. Nước thải y tế
• 1.4.1.2. Các phương pháp khử khuẩn
• 1.4.1.2.1. Các phương pháp vật lý
• 1.4.2. VẬT LIỆU OXIT SẮT TỪ NANO
• 1.4.2.1. Đặc tính của oxit sắt từ nano
• 1.4.2.2. Các phương pháp tổng hợp oxit sắt từ nano
• 1.4.2.3. Tổng hợp oxit sắt từ nano từ dung dịch tẩy gỉ
• 1.4.2.4. Ứng dụng của oxit sắt từ nano trong xử lý môi trường
• 1.4.3. VẬT LIỆU NANOCOMPOSIT Fe3O4/Ag
• 1.4.3.1. Vật liệu hạt bạc nano
• 1.4.3.2. Vật liệu nanocomposit Fe3O4/Ag
• 1.4.4. POLYME KHÁNG KHUẨN GỐC GUANIDIN
• 1.4.4.1. Giới thiệu chung về polyme kháng khuẩn
• 1.4.4.2. Các phương pháp tổng hợp Polyguanidin
• 1.4.5. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM
• 1.4.5.1. HÓA CHẤT, NGUYÊN LIỆU
• 1.4.5.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP VẬT LIỆU
• 1.4.5.2.1. Tổng hợp oxit sắt từ nano từ dung dịch tẩy gỉ
• 1.4.5.2.2. Nghiên cứu tổng hợp nanocomposit sắt từ với nano bạc
• 1.4.5.2.3. Tổng hợp nanocomposit Fe3O4/PHMG
• 1.4.5.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU
• 1.4.5.3.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
• 1.4.5.3.2. Phương pháp phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX)
• 1.4.5.3.3. Phương pháp phổ hồng ngoại (FTIR)
• 1.4.5.3.4. Phương pháp phổ tử ngoại khả kiến (UV-vis)
• 1.4.5.3.5. Phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử (AAS)
• 1.4.5.3.6. Phương pháp phổ khối plasma cảm ứng (ICP-MS)
• 1.4.5.3.7. Phương pháp hiển vi điện tử quét xạ trường (FESEM)
• 1.4.5.3.8. Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
• 1.4.5.3.9. Phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng (TGA)
• 1.4.5.3.10. Phương pháp từ kế mẫu rung (VSM)
• 1.4.5.3.11. Phương pháp xác định độ nhớt
• 1.4.5.3.12. Khảo sát sự tan nhả PHMG từ vật liệu nanocomposit
• 1.4.5.3.13. Phương pháp đánh giá hoạt tính kháng khuẩn
• 1.4.6. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 1.4.6.1. TỔNG HỢP OXIT SẮT TỪ NANO TỪ DUNG DỊCH TẨY GỈ
• 1.4.6.1.1. Kết quả xác định từ độ bão hòa
• 1.4.6.1.2. Kết quả phân tích cấu trúc và thành phần hóa học
• 1.4.6.1.3. Kết quả phân tích cấu trúc tinh thể
• 1.4.6.1.4. Kết quả phân tích hình thái cấu trúc
• 1.4.6.2. NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP NANOCOMPOSIT OXIT SẮT TỪ VỚI HẠT BẠC NANO
• 1.4.6.2.1. Tổng hợp nanocomposit Fe3O4 /Ag trên nền chitosan
• 1.4.6.2.2. Tổng hợp nanocomposit dạng hạt oxit sắt từ-alginat với bạc nano
• 1.4.6.3. TỔNG HỢP NANOCOMPOSIT Fe3O4/PHMG
• 1.4.6.3.1. Tổng hợp PHMG
• 1.4.6.3.2. Tổng hợp vật liệu nanocomposit Fe3O4/PHMG
• 1.4.6.3.3. Tổng hợp vật liệu nanocomposit Fe3O4/PHMG biến tính epichlohydrin
• 1.4.6.3.4. Tổng hợp vật liệu nanocomposit dạng hạt Fe3O4-alginat/PHMG
• 1.4.6.3.5. Thử nghiệm khử trùng mẫu nước thải bệnh viện
• 2. KẾT LUẬN CHUNG
• 3. MỘT SỐ ĐIỂM MỚI CỦA LUẬN ÁN
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA NGHIÊN CỨU SINH
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Vật Liệu Nano Xử Lý Ô Nhiễm Vi Sinh

Ô nhiễm vi sinh vật trong nước và không khí là một vấn đề cấp bách toàn cầu, đe dọa sức khỏe cộng đồng và hệ sinh thái. Các phương pháp xử lý truyền thống thường gặp nhiều hạn chế về hiệu quả, chi phí và tác động môi trường. Vật liệu nano nổi lên như một giải pháp đầy hứa hẹn nhờ khả năng xử lý ô nhiễm vượt trội. Nghiên cứu về ứng dụng công nghệ nano trong lĩnh vực này đang phát triển mạnh mẽ, tập trung vào việc phát triển các vật liệu có khả năng kháng khuẩn nano, diệt khuẩn, và khử trùng hiệu quả. Các loại vật liệu nano được nghiên cứu nhiều bao gồm vật liệu nano kim loại, vật liệu nano oxit kim loại, vật liệu nano carbon, và vật liệu nano composite. Mục tiêu là tạo ra các giải pháp xử lý nước và xử lý không khí bền vững, an toàn và hiệu quả về chi phí.

1.1. Tầm quan trọng của việc xử lý ô nhiễm vi sinh vật

Ô nhiễm vi sinh vật gây ra nhiều bệnh nguy hiểm như thương hàn, tả, lỵ, và các bệnh đường ruột khác. Nguồn nước ô nhiễm là một trong những nguyên nhân chính gây ra các dịch bệnh này. Việc xử lý ô nhiễm hiệu quả là rất quan trọng để bảo vệ sức khỏe cộng đồng và ngăn ngừa sự lây lan của bệnh tật. Các phương pháp truyền thống như clo hóa có thể tạo ra các sản phẩm phụ độc hại, do đó cần có các giải pháp thay thế an toàn và hiệu quả hơn. Vật liệu nano hứa hẹn mang lại một cuộc cách mạng trong lĩnh vực này.

1.2. Ưu điểm của vật liệu nano trong xử lý ô nhiễm

Vật liệu nano có nhiều ưu điểm vượt trội so với các vật liệu truyền thống, bao gồm diện tích bề mặt lớn, khả năng phản ứng cao, và khả năng tùy chỉnh tính chất. Điều này cho phép chúng tương tác hiệu quả hơn với vi sinh vật và các chất ô nhiễm khác. Ngoài ra, một số vật liệu nano có khả năng tự làm sạch và tái sử dụng, giúp giảm chi phí và tác động môi trường. Khả năng dễ dàng biến tính và chức năng hóa bề mặt của vật liệu nano cũng mở ra nhiều tiềm năng ứng dụng trong xử lý ô nhiễm.

II. Thách Thức Ô Nhiễm Vi Sinh Vật Giải Pháp Nano Tiềm Năng

Tình trạng ô nhiễm nguồn nước và ô nhiễm không khí do vi sinh vật ngày càng trở nên nghiêm trọng do quá trình công nghiệp hóa và đô thị hóa. Các nguồn ô nhiễm chính bao gồm nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp, và nước thải nông nghiệp. Các phương pháp xử lý hiện tại thường không đủ hiệu quả để loại bỏ hoàn toàn vi sinh vật gây bệnh, đặc biệt là các loại vi khuẩn, virus, nấm, và tảo kháng thuốc. Công nghệ nano mang đến những giải pháp tiềm năng để giải quyết vấn đề này, nhưng vẫn còn nhiều thách thức cần vượt qua, bao gồm độc tính, tính an toàn, tính bền vững, và chi phí.

2.1. Các nguồn gây ô nhiễm vi sinh vật phổ biến

Nước thải sinh hoạt chứa nhiều chất hữu cơ và vi sinh vật từ đường ruột người, bao gồm Coliform và Streptococcus. Nước thải chăn nuôi chứa nhiều chất thải từ vật nuôi, bao gồm nitơ, phốt pho, kim loại nặng, và các vi sinh vật gây hại như E. Coli và Salmonella. Nước thải y tế chứa các vi sinh vật gây bệnh như Samonella typhi và Shigella sp., cũng như các chất kháng sinh và hóa chất độc hại. Theo thống kê của Bộ Y tế và Bộ Tài nguyên – Môi trường, mỗi năm ở Việt Nam có khoảng 9000 người tử vong vì nguồn nước ô nhiễm và điều kiện vệ sinh kém.

2.2. Hạn chế của các phương pháp xử lý truyền thống

Các phương pháp khử trùng truyền thống như clo hóa có thể tạo ra các sản phẩm phụ độc hại như trihalomethane (THMs). Ozon hóa có hiệu quả cao nhưng không ổn định và có thể gây kích ứng đường hô hấp. Các phương pháp lọc truyền thống có thể không loại bỏ được các vi sinh vật có kích thước nhỏ. Do đó, cần có các giải pháp xử lý ô nhiễm mới, hiệu quả hơn và thân thiện với môi trường hơn. Vật liệu nano có tiềm năng giải quyết những hạn chế này.

III. Phương Pháp Vật Liệu Nano Kim Loại Diệt Khuẩn Hiệu Quả Cao

Vật liệu nano kim loại, đặc biệt là vật liệu nano bạc (AgNPs), đã được chứng minh là có khả năng kháng khuẩn và diệt khuẩn hiệu quả cao. Cơ chế hoạt động của AgNPs bao gồm phá vỡ màng tế bào, ức chế enzyme, và gây tổn thương DNA của vi sinh vật. AgNPs có thể được sử dụng ở dạng tự do hoặc được hỗ trợ trên các chất nền khác nhau để tăng cường hiệu quả và giảm độc tính. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng AgNPs có thể tiêu diệt nhiều loại vi khuẩn, virus, và nấm, bao gồm cả các chủng kháng thuốc.

3.1. Cơ chế kháng khuẩn của vật liệu nano bạc AgNPs

AgNPs có thể giải phóng các ion bạc (Ag+) có khả năng tương tác với các protein và enzyme của vi sinh vật, gây ức chế hoạt động và tiêu diệt tế bào. AgNPs cũng có thể trực tiếp phá vỡ màng tế bào của vi sinh vật, dẫn đến rò rỉ nội bào và chết tế bào. Ngoài ra, AgNPs có thể gây tổn thương DNA của vi sinh vật, ngăn chặn quá trình sinh sản và phát triển. Hoạt tính kháng khuẩn của AgNPs phụ thuộc vào kích thước, hình dạng, và nồng độ của hạt nano.

3.2. Ứng dụng của AgNPs trong xử lý nước và không khí

AgNPs có thể được sử dụng để xử lý nước bằng cách tẩm vào màng lọc, vật liệu hấp phụ, hoặc chất xúc tác quang. AgNPs cũng có thể được sử dụng để xử lý không khí bằng cách phun sương hoặc tẩm vào vật liệu lọc. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng AgNPs có thể loại bỏ hiệu quả vi khuẩn, virus, và nấm từ nước và không khí. Tuy nhiên, cần phải xem xét tính an toàn và độc tính của AgNPs trước khi ứng dụng rộng rãi.

IV. Giải Pháp Vật Liệu Nano Oxit Kim Loại Ứng Dụng Xúc Tác Quang

Vật liệu nano oxit kim loại, chẳng hạn như vật liệu nano TiO2 và vật liệu nano ZnO, có khả năng xúc tác quang dưới ánh sáng UV hoặc ánh sáng khả kiến. Quá trình xúc tác quang tạo ra các gốc tự do có khả năng oxy hóa và phân hủy vi sinh vật và các chất ô nhiễm hữu cơ khác. Vật liệu nano TiO2 đã được sử dụng rộng rãi trong xử lý nước và xử lý không khí nhờ hiệu quả cao, tính bền vững, và chi phí thấp. Tuy nhiên, hiệu quả xúc tác quang của TiO2 có thể bị hạn chế do sự tái tổ hợp của các cặp electron-lỗ trống.

4.1. Cơ chế xúc tác quang của vật liệu nano TiO2

Khi vật liệu nano TiO2 hấp thụ ánh sáng có năng lượng lớn hơn vùng cấm, các electron sẽ được kích thích từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, tạo ra các cặp electron-lỗ trống. Các lỗ trống có tính oxy hóa mạnh và có thể oxy hóa nước hoặc các ion hydroxide để tạo ra các gốc hydroxyl (•OH), là các chất oxy hóa mạnh có khả năng phân hủy vi sinh vật và các chất ô nhiễm hữu cơ. Các electron có thể khử oxy hòa tan để tạo ra các gốc superoxide (O2•-), cũng có tính oxy hóa.

4.2. Cải thiện hiệu quả xúc tác quang của TiO2

Để cải thiện hiệu quả xúc tác quang của vật liệu nano TiO2, có thể sử dụng các phương pháp như pha tạp kim loại, pha tạp phi kim, hoặc kết hợp với các vật liệu nano khác. Ví dụ, việc pha tạp bạc (Ag) vào TiO2 có thể tạo ra các vị trí bẫy electron, giảm sự tái tổ hợp của các cặp electron-lỗ trống và tăng cường hoạt tính xúc tác quang. Việc kết hợp TiO2 với vật liệu nano carbon như graphene cũng có thể cải thiện khả năng hấp thụ ánh sáng và tăng diện tích bề mặt.

V. Ứng Dụng Thực Tế Nghiên Cứu Vật Liệu Nano Composite Kháng Khuẩn

Nhiều nghiên cứu đã tập trung vào việc phát triển vật liệu nano composite kết hợp các tính chất ưu việt của các vật liệu nano khác nhau. Ví dụ, vật liệu nano composite Fe3O4/Ag kết hợp khả năng kháng khuẩn của AgNPs với khả năng thu hồi từ tính của Fe3O4. Vật liệu nano composite Fe3O4/PHMG kết hợp khả năng kháng khuẩn của polyhexamethylene guanidine (PHMG) với khả năng thu hồi từ tính của Fe3O4. Các vật liệu nano composite này có tiềm năng lớn trong ứng dụng thực tế để xử lý nước thải và khử trùng.

5.1. Vật liệu nano composite Fe3O4 Ag Tổng hợp và ứng dụng

Nghiên cứu của Lê Thị Thu Hà đã tổng hợp thành công nanocomposit Fe3O4/Ag trên nền chitosan và alginat. Kết quả cho thấy vật liệu này có khả năng kháng khuẩn tốt đối với E.coli. Việc sử dụng chất mang là sắt từ nano có ưu điểm vượt trội về khả năng thu hồi sau khi xử lý, tránh được việc thải bạc nano một cách không kiểm soát. Điều này đặc biệt hấp dẫn, khi gần đây có một số ý kiến cho rằng hạt bạc nano dù sao cũng có khả năng gây độc hại cho con người.

5.2. Vật liệu nano composite Fe3O4 PHMG Tiềm năng khử trùng

Nghiên cứu của Lê Thị Thu Hà cũng đã tổng hợp nanocomposit Fe3O4/PHMG và thử nghiệm khử trùng mẫu nước thải bệnh viện. Kết quả cho thấy vật liệu này có khả năng giảm đáng kể mật độ vi khuẩn Coliform trong nước thải. Việc kết hợp PHMG với Fe3O4 giúp tăng cường khả năng thu hồi và tái sử dụng vật liệu, đồng thời giảm thiểu độc tính của PHMG.

VI. Kết Luận Tương Lai Vật Liệu Nano Cho Môi Trường Sạch

Vật liệu nano mang đến những giải pháp đầy hứa hẹn để xử lý ô nhiễm vi sinh vật trong nước và không khí. Các nghiên cứu đã chứng minh hiệu quả của vật liệu nano kim loại, vật liệu nano oxit kim loại, và vật liệu nano composite trong việc kháng khuẩn, diệt khuẩn, và khử trùng. Tuy nhiên, cần phải tiếp tục nghiên cứu để giải quyết các thách thức về độc tính, tính an toàn, tính bền vững, và chi phí trước khi ứng dụng rộng rãi. Trong tương lai, vật liệu nano có thể đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.

6.1. Hướng nghiên cứu tiếp theo về vật liệu nano xử lý ô nhiễm

Các hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc phát triển các vật liệu nano có khả năng tự tái tạo, có khả năng phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ, và có khả năng loại bỏ các vi sinh vật kháng thuốc. Cần phải nghiên cứu sâu hơn về cơ chế hoạt động của vật liệu nano để tối ưu hóa hiệu quả và giảm thiểu độc tính. Ngoài ra, cần phải phát triển các phương pháp sản xuất vật liệu nano quy mô lớn với chi phí thấp.

6.2. Tiềm năng ứng dụng vật liệu nano trong tương lai

Vật liệu nano có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm xử lý nước thải, xử lý nước uống, xử lý không khí, khử trùng bề mặt, và ứng dụng trong y tế. Việc phát triển các vật liệu nano thân thiện với môi trường và an toàn cho sức khỏe con người sẽ đóng góp quan trọng vào việc xây dựng một tương lai bền vững.