Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm không khí, đặc biệt là bụi mịn PM10 và PM2.5, đang là vấn đề nghiêm trọng tại nhiều quốc gia, trong đó có Việt Nam. Tại các đô thị lớn như Hà Nội, mật độ giao thông dày đặc và phát triển công nghiệp nhanh chóng đã làm tăng nồng độ bụi mịn trong không khí, gây ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe con người và hệ sinh thái. Các hạt bụi mịn có kích thước nhỏ hơn 2.5 µm có thể xâm nhập sâu vào phổi, gây ra các bệnh về tim mạch, phổi, tiểu đường, ung thư và các tổn thương da. Đặc biệt, trong bối cảnh dịch bệnh COVID-19, các virus có kích thước vài chục nanomet thường tồn tại trong các giọt lỏng li ti có kích thước lớn hơn 2.5 µm, làm tăng nguy cơ lây lan qua không khí. Do đó, việc phát triển các vật liệu lọc bụi mịn có khả năng kháng khuẩn hiệu quả là rất cần thiết.

Luận văn tập trung nghiên cứu chế tạo tấm lọc tiên tiến dựa trên vật liệu nano graphen kết hợp với nano bạc (Ag) có khả năng lọc bụi mịn và kháng khuẩn. Mục tiêu chính là tổng hợp vật liệu nanocomposite Ag/GNPs, đánh giá tính chất vật liệu, chế tạo tấm lọc phủ Ag/GNPs trên vải không dệt polypropylene (PP), khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất lọc bụi, tính kỵ nước, khả năng kháng khuẩn và khả năng tái sử dụng của tấm lọc. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi phòng thí nghiệm tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, với thời gian hoàn thành vào năm 2022. Kết quả nghiên cứu góp phần phát triển vật liệu lọc bụi mịn trong nước, giảm phụ thuộc vào nhập khẩu, đồng thời nâng cao hiệu quả bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết về bụi mịn PM10 và PM2.5: Phân loại bụi mịn theo kích thước và trạng thái (giọt lỏng ướt, giọt lỏng không ướt, hạt rắn), cơ chế lọc bụi dựa trên quán tính, lực tĩnh điện, khuếch tán và trọng lực.
  • Lý thuyết về vật liệu nano graphen: Graphen là vật liệu 2D cấu tạo từ một lớp nguyên tử cacbon, có tính chất vật lý và hóa học ưu việt như độ bền cơ học cao, dẫn điện và dẫn nhiệt tốt, diện tích bề mặt lớn, khả năng kỵ nước và hấp phụ các hợp chất hữu cơ.
  • Lý thuyết về nano bạc (AgNPs): Hạt nano bạc có kích thước nhỏ (< 20 nm) với hoạt tính kháng khuẩn, kháng nấm và diệt virut mạnh mẽ, phụ thuộc vào kích thước, hình dạng và độ phân tán.
  • Mô hình tổng hợp xanh: Sử dụng dịch chiết thực vật (lá vối) làm chất khử sinh học để tổng hợp nanocomposite Ag/GNPs, thân thiện môi trường và tiết kiệm chi phí.
  • Khái niệm về vải không dệt polypropylene (PP): Vải không dệt PP có tính bền cơ học, dễ biến tính bề mặt, được sử dụng làm nền cho tấm lọc bụi mịn.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Vật liệu nano graphen dạng bột, AgNO3, dịch chiết lá vối, vải không dệt PP, các hóa chất và thiết bị phòng thí nghiệm tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.
  • Phương pháp tổng hợp: Tổng hợp nanocomposite Ag/GNPs bằng phương pháp tổng hợp xanh sử dụng dịch chiết lá vối làm chất khử ion bạc trong dung dịch graphen phân tán 10 g/L. Các tỷ lệ AgNO3/GNPs được thử nghiệm gồm 30%, 50%, 70% và 100% theo khối lượng.
  • Chế tạo tấm lọc: Phủ Ag/GNPs lên vải không dệt PP bằng phương pháp nhúng trong dung dịch phân tán Ag/GNPs trong ethanol (0,8 g/L), sau đó phủ chất kết dính silicone hai thành phần để tăng độ bám dính.
  • Phương pháp phân tích và đặc trưng vật liệu: Sử dụng XRD để xác định cấu trúc tinh thể, SEM để quan sát hình thái bề mặt, FTIR để xác định các nhóm chức trên vật liệu.
  • Đánh giá hiệu quả lọc bụi: Thiết lập hệ thống tạo bụi mịn PM2.5 bằng đốt trầm hương, đo nồng độ bụi trước và sau khi qua tấm lọc, tính hiệu suất lọc theo công thức chuẩn.
  • Đánh giá khả năng kháng khuẩn: Phương pháp khuếch tán đĩa thạch với vi khuẩn E.coli, so sánh vùng ức chế phát triển vi khuẩn giữa các mẫu vật liệu.
  • Timeline nghiên cứu: Tổng hợp vật liệu và chế tạo tấm lọc trong vòng 3 tháng, đánh giá tính chất và hiệu quả lọc trong 2 tháng tiếp theo.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tổng hợp nanocomposite Ag/GNPs thành công: Các mẫu Ag/GNPs với tỷ lệ AgNO3/GNPs từ 30% đến 100% được tổng hợp bằng phương pháp xanh sử dụng dịch chiết lá vối. Màu sắc nâu xám đặc trưng của graphen được giữ nguyên, trong khi các hạt nano bạc có kích thước trung bình khoảng 20 nm phân bố đều trên bề mặt graphen.
  2. Đặc trưng vật liệu: Phân tích XRD cho thấy các đỉnh đặc trưng của graphen tại góc 26° và 56°, cùng với các đỉnh của bạc kim loại tại 38.22°, 44.4°, 64.5° và 77.4°, xác nhận sự tạo thành nanocomposite. Cường độ đỉnh bạc tăng theo hàm lượng Ag, với mẫu 100% AgNO3/GNPs cho thấy bạc phủ gần như toàn bộ bề mặt graphen.
  3. Hình thái bề mặt SEM: Hình ảnh SEM cho thấy cấu trúc phân lớp của graphen và sự phân bố đồng đều của các hạt nano bạc trên bề mặt. Với hàm lượng bạc cao, các hạt nano không kết tụ mà tách rời, giúp tăng diện tích tiếp xúc và hiệu quả kháng khuẩn.
  4. Hiệu quả lọc bụi mịn: Tấm lọc phủ Ag/GNPs trên vải không dệt PP đạt hiệu suất lọc bụi PM2.5 trên 90%, cao hơn đáng kể so với vải không dệt ban đầu (khoảng 60-70%). Hàm lượng chất kết dính silicone và tỷ lệ phủ Ag/GNPs ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất lọc và độ bền của tấm lọc.
  5. Khả năng kháng khuẩn: Vật liệu Ag/GNPs thể hiện vùng ức chế vi khuẩn E.coli rõ rệt, vượt trội so với graphen đơn thuần và nano bạc riêng lẻ. Điều này chứng tỏ hiệu quả cộng hưởng giữa nano bạc và graphen trong việc diệt khuẩn.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả lọc bụi mịn cao của tấm lọc Ag/GNPs được giải thích bởi sự kết hợp giữa cơ chế lọc thụ động của vải không dệt PP và cơ chế hấp phụ, tương tác tĩnh điện của nano graphen với các hạt bụi. Nano bạc không chỉ tăng khả năng kháng khuẩn mà còn giúp ngăn ngừa sự phát triển của vi sinh vật trên bề mặt tấm lọc, kéo dài tuổi thọ sản phẩm. So với các nghiên cứu trước đây sử dụng phương pháp tổng hợp hóa học, phương pháp tổng hợp xanh bằng dịch chiết lá vối trong nghiên cứu này vừa thân thiện môi trường, vừa cho vật liệu có kích thước hạt nano bạc đồng đều và hiệu quả kháng khuẩn cao. Các biểu đồ XRD và SEM minh họa rõ sự phân bố và cấu trúc vật liệu, trong khi phổ FTIR xác nhận các nhóm chức sinh học trong dịch chiết lá vối tham gia vào quá trình khử và ổn định hạt nano bạc. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về ứng dụng nano bạc và graphen trong vật liệu lọc bụi và kháng khuẩn, đồng thời mở ra hướng phát triển vật liệu lọc nội địa chất lượng cao.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa tỷ lệ phủ Ag/GNPs và chất kết dính silicone: Khuyến nghị sử dụng tỷ lệ AgNO3/GNPs khoảng 100% và hàm lượng chất kết dính silicone 0,6 ml để đạt hiệu suất lọc và độ bền tối ưu trong vòng 6 tháng thử nghiệm thực tế.
  2. Phát triển quy trình sản xuất quy mô công nghiệp: Đề xuất chuyển giao công nghệ tổng hợp xanh nanocomposite Ag/GNPs và phủ tấm lọc cho các doanh nghiệp sản xuất vải không dệt trong nước nhằm giảm chi phí nhập khẩu và nâng cao chất lượng sản phẩm.
  3. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng: Khuyến khích nghiên cứu ứng dụng tấm lọc Ag/GNPs trong khẩu trang y tế, máy lọc không khí và các thiết bị bảo vệ cá nhân khác, tập trung vào khả năng tái sử dụng và kháng khuẩn lâu dài.
  4. Đánh giá tác động môi trường và an toàn sức khỏe: Thực hiện các nghiên cứu bổ sung về khả năng giải phóng ion bạc và ảnh hưởng đến môi trường, đảm bảo an toàn cho người sử dụng và hệ sinh thái trong vòng 1-2 năm tới.
  5. Đào tạo và nâng cao nhận thức: Tổ chức các khóa đào tạo cho cán bộ kỹ thuật và người tiêu dùng về lợi ích và cách sử dụng tấm lọc nano tiên tiến nhằm tăng cường hiệu quả bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa học, Vật liệu: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về tổng hợp vật liệu nano, phương pháp tổng hợp xanh và ứng dụng trong lọc bụi mịn, phù hợp cho nghiên cứu và phát triển sản phẩm mới.
  2. Doanh nghiệp sản xuất vải không dệt và vật liệu lọc: Tham khảo để áp dụng công nghệ phủ nano bạc/graphen nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm chi phí nhập khẩu và tăng tính cạnh tranh trên thị trường.
  3. Cơ quan quản lý môi trường và y tế công cộng: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách, tiêu chuẩn về vật liệu lọc bụi mịn và kháng khuẩn, góp phần kiểm soát ô nhiễm không khí và phòng chống dịch bệnh.
  4. Người tiêu dùng và cộng đồng: Hiểu rõ về lợi ích của tấm lọc bụi mịn kháng khuẩn, lựa chọn sản phẩm phù hợp để bảo vệ sức khỏe trong môi trường ô nhiễm và dịch bệnh hiện nay.

Câu hỏi thường gặp

  1. Nano graphen là gì và tại sao được sử dụng trong tấm lọc?
    Nano graphen là lớp nguyên tử cacbon đơn lớp có cấu trúc tổ ong 2D, có diện tích bề mặt lớn, dẫn điện và dẫn nhiệt tốt, khả năng kỵ nước và hấp phụ cao. Những tính chất này giúp tăng hiệu quả lọc bụi mịn và cải thiện độ bền của tấm lọc.

  2. Phương pháp tổng hợp xanh có ưu điểm gì so với phương pháp truyền thống?
    Phương pháp tổng hợp xanh sử dụng dịch chiết thực vật làm chất khử, thân thiện môi trường, chi phí thấp, dễ thực hiện và tạo ra vật liệu nano có kích thước đồng đều, giảm thiểu hóa chất độc hại so với phương pháp hóa học truyền thống.

  3. Nano bạc có an toàn khi sử dụng trong vật liệu lọc không?
    Ở nồng độ thấp, nano bạc có tính kháng khuẩn mạnh nhưng không độc hại với tế bào người. Việc phủ nano bạc lên graphen và sử dụng chất kết dính silicone giúp giữ nano bạc chắc chắn trên tấm lọc, hạn chế giải phóng ra môi trường và đảm bảo an toàn cho người dùng.

  4. Hiệu suất lọc bụi mịn của tấm lọc Ag/GNPs đạt bao nhiêu?
    Tấm lọc phủ Ag/GNPs đạt hiệu suất lọc bụi PM2.5 trên 90%, cao hơn nhiều so với vải không dệt PP ban đầu chỉ khoảng 60-70%, đồng thời duy trì độ thoáng khí và khả năng tái sử dụng tốt.

  5. Tấm lọc có thể tái sử dụng bao nhiêu lần?
    Nghiên cứu cho thấy tấm lọc Ag/GNPs giữ được hiệu quả lọc và kháng khuẩn sau ít nhất 3 lần giặt, phù hợp cho sử dụng lâu dài và tiết kiệm chi phí cho người tiêu dùng.

Kết luận

  • Đã thành công trong việc tổng hợp nanocomposite Ag/GNPs bằng phương pháp tổng hợp xanh sử dụng dịch chiết lá vối, tạo ra vật liệu có kích thước hạt nano bạc đồng đều (~20 nm) và phân bố đều trên graphen.
  • Tấm lọc phủ Ag/GNPs trên vải không dệt PP đạt hiệu suất lọc bụi mịn PM2.5 trên 90% và khả năng kháng khuẩn mạnh mẽ với vi khuẩn E.coli.
  • Phương pháp tổng hợp xanh thân thiện môi trường, chi phí thấp, phù hợp cho sản xuất quy mô công nghiệp trong nước.
  • Tấm lọc có tính kỵ nước cao, độ bền cơ học tốt và khả năng tái sử dụng sau nhiều lần giặt.
  • Đề xuất tiếp tục nghiên cứu mở rộng ứng dụng, đánh giá an toàn và phát triển công nghệ sản xuất thương mại trong vòng 1-2 năm tới.

Hành động tiếp theo: Các doanh nghiệp và nhà nghiên cứu nên phối hợp để chuyển giao công nghệ, thử nghiệm thực tế và phát triển sản phẩm tấm lọc nano tiên tiến phục vụ cộng đồng, góp phần cải thiện chất lượng không khí và bảo vệ sức khỏe người dân.