Luận văn thạc sĩ nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano trong lọc nước cấp nước sinh hoạt cho vúng ngập lũ huyện nho quan ninh bình

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano trong lọc nước cấp sinh hoạt cho vùng ngập lũ huyện Nho Quan, Ninh Bình, hướng đến giải pháp bền vững.

• Tác giả: Hà Thị Phú
• Người hướng dẫn: TS. Lê Xuân Quang
• Trường học: Trường Đại Học Thủy Lợi
• Chuyên ngành: Cấp Thoát Nước
• Đề tài: Nghiên Cứu Ứng Dụng Công Nghệ Nano Trong Lọc Nước, Cấp Nước Sinh Hoạt Cho Vùng Ngập Lũ Huyện Nho Quan, Ninh Bình
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• BẢN CAM KẾT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về lý thuyết công nghệ Nano
• 1.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu ứng dụng công nghệ Nano trong lọc nước trên thế giới
• 1.3. Tổng quan tình hình nghiên cứu ứng dụng công nghệ Nano trong lọc nước ở Việt Nam
• 1.4. Tổng quan về nhu cầu nước sinh hoạt cho vùng thường xuyên ngập lũ
• 1.5. Nhận xét, đánh giá
• 2. CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ NANO TRONG LỌC NƯỚC, CẤP NƯỚC SINH HOẠT CHO VÙNG LŨ
• 2.1. Đánh giá nguồn nước sinh hoạt và các phương pháp xử lý nước sinh hoạt truyền thống
• 2.1.1. Các giải pháp xử lý nước trong vùng lũ
• 2.1.2. Công nghệ cấp nước nhỏ lẻ quy mô hộ gia đình
• 2.1.3. Công nghệ cấp nước tập trung quy mô nhỏ
• 2.1.4. Công nghệ cấp nước tập trung quy mô lớn
• 2.1.5. Công nghệ cấp nước nổi
• 2.2. Cơ sở khoa học trong việc ứng dụng công nghệ Nano trong cấp nước sinh hoạt
• 2.3. Giới thiệu công nghệ Nano trong lọc nước cấp nước sinh hoạt
• 2.3.1. Giới thiệu vật liệu Nano
• 2.3.2. Tính chất chung
• 2.3.2.1. Đặc điểm của vật liệu lọc Nano
• 2.4. Nghiên cứu lựa chọn dây chuyền công nghệ và khả năng xử lý
• 2.5. Đánh giá khả năng ứng dụng công nghệ Nano trong lọc nước cho vùng lũ
• 2.6. Nhận xét, đánh giá
• 3. CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ NANO TRONG LỌC NƯỚC, CẤP NƯỚC SINH HOẠT VÙNG NGẬP LŨ HUYỆN NHO QUAN, NINH BÌNH
• 3.1. Điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội, hiện trạng sử dụng nước sạch, vệ sinh môi trường vùng nghiên cứu
• 3.1.1. Điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội
• 3.1.2. Hiện trạng sử dụng nước sạch, vệ sinh môi trường vùng nghiên cứu
• 3.2. Xác định nhu cầu cấp nước vùng nghiên cứu
• 3.3. Phương pháp và giải pháp công nghệ xử lý nước cấp sinh hoạt vùng nghiên cứu
• 3.3.1. Các căn cứ lựa chọn
• 3.3.2. Thử nghiệm đối chứng giải pháp công nghệ
• 3.3.3. Phương án và giải pháp công nghệ xử lý nước cấp sinh hoạt vùng nghiên cứu
• 3.4. Giải pháp thiết kế các hạng mục công trình hệ thống cấp nước sinh hoạt vùng ngập lũ huyện Nho Quan, tỉnh Ninh Bình
• 3.4.1. Căn cứ thiết kế
• 3.4.2. Những yêu cầu thiết kế
• 3.4.3. Quy mô, công suất và cấp công trình
• 3.4.4. Giải pháp thiết kế và kết cấu công trình
• 3.5. Quản lý vận hành hệ thống cấp nước sinh hoạt ứng dụng công nghệ Nano trong lọc nước vùng ngập lũ huyện Nho Quan, tỉnh Ninh Bình
• 3.6. Nhận xét, đánh giá
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về công nghệ nano và ứng dụng trong lọc nước

Công nghệ nano là một lĩnh vực khoa học tiên tiến, tập trung vào việc thiết kế và ứng dụng các vật liệu có kích thước nanomet. Trong lĩnh vực lọc nước, công nghệ này đã chứng minh được hiệu quả vượt trội so với các phương pháp truyền thống. Các vật liệu nano như màng lọc nano, hạt nano từ tính, và xốp nano đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi để xử lý nước ô nhiễm, đặc biệt là trong các vùng ngập lũ như Nho Quan, Ninh Bình. Các nghiên cứu trên thế giới đã chỉ ra rằng, công nghệ nano không chỉ cải thiện chất lượng nước mà còn giảm chi phí và tăng hiệu suất xử lý.

1.1. Cơ sở khoa học của công nghệ nano

Công nghệ nano dựa trên ba nguyên lý chính: hiệu ứng bề mặt, kích thước tới hạn, và chuyển tiếp từ tính chất cổ điển sang lượng tử. Các vật liệu nano có diện tích bề mặt lớn, giúp tăng khả năng hấp thụ và phản ứng hóa học. Điều này làm cho chúng trở nên lý tưởng cho việc loại bỏ các chất ô nhiễm trong nước. Ví dụ, các hạt nano từ tính có thể liên kết với asen và được loại bỏ dễ dàng bằng nam châm.

1.2. Ứng dụng công nghệ nano trong lọc nước trên thế giới

Trên thế giới, công nghệ nano đã được ứng dụng trong nhiều dự án lọc nước. Ví dụ, xốp nano được sử dụng để giữ nước mưa ở các nước như Trung Quốc và Thái Lan. Màng lọc nano của Hàn Quốc đã giúp khử mặn nước biển với chi phí thấp. Các sản phẩm này không chỉ cải thiện chất lượng nước mà còn phù hợp với điều kiện kinh tế của các nước đang phát triển.

II. Nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano tại Nho Quan Ninh Bình

Nho Quan, Ninh Bình là một trong những vùng thường xuyên chịu ảnh hưởng của ngập lũ, dẫn đến tình trạng ô nhiễm nguồn nước nghiêm trọng. Nghiên cứu này tập trung vào việc ứng dụng công nghệ nano để cải thiện chất lượng nước sinh hoạt cho người dân địa phương. Các giải pháp được đề xuất bao gồm sử dụng màng lọc nano và hạt nano từ tính để loại bỏ các chất ô nhiễm như asen và vi khuẩn. Kết quả nghiên cứu cho thấy, công nghệ nano không chỉ hiệu quả mà còn dễ dàng triển khai trong điều kiện thực tế.

2.1. Đánh giá nguồn nước và phương pháp xử lý truyền thống

Nguồn nước tại Nho Quan thường bị ô nhiễm nặng sau mỗi đợt lũ. Các phương pháp xử lý truyền thống như lọc cát và sử dụng hóa chất không đáp ứng được yêu cầu về chất lượng nước. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng, công nghệ nano có thể giải quyết các hạn chế này bằng cách loại bỏ hiệu quả các chất ô nhiễm vi mô và vi khuẩn.

2.2. Giải pháp công nghệ nano cho vùng ngập lũ

Các giải pháp được đề xuất bao gồm sử dụng màng lọc nano để loại bỏ các hạt ô nhiễm và hạt nano từ tính để xử lý asen. Các thiết bị này có thể được triển khai ở quy mô hộ gia đình hoặc cộng đồng, phù hợp với điều kiện kinh tế và địa lý của Nho Quan.

III. Kết quả và đánh giá ứng dụng công nghệ nano

Nghiên cứu đã chứng minh rằng, công nghệ nano có thể cải thiện đáng kể chất lượng nước sinh hoạt tại Nho Quan, Ninh Bình. Các thử nghiệm thực tế cho thấy, màng lọc nano và hạt nano từ tính đã loại bỏ hiệu quả các chất ô nhiễm như asen, vi khuẩn, và các hạt lơ lửng. Điều này không chỉ đảm bảo an toàn sức khỏe cho người dân mà còn góp phần bảo vệ môi trường. Nghiên cứu cũng đề xuất các giải pháp quản lý và vận hành hệ thống lọc nước để đảm bảo tính bền vững.

3.1. Hiệu quả của công nghệ nano trong lọc nước

Các thử nghiệm cho thấy, màng lọc nano có thể loại bỏ đến 99% các hạt ô nhiễm và vi khuẩn. Hạt nano từ tính cũng đã chứng minh hiệu quả trong việc loại bỏ asen, một chất ô nhiễm phổ biến tại Nho Quan. Kết quả này khẳng định tiềm năng lớn của công nghệ nano trong việc cải thiện chất lượng nước.

3.2. Đề xuất quản lý và vận hành hệ thống

Để đảm bảo tính bền vững, nghiên cứu đề xuất các giải pháp quản lý và vận hành hệ thống lọc nước. Các giải pháp bao gồm đào tạo người dân về cách sử dụng và bảo trì thiết bị, cũng như thiết lập các quy trình kiểm tra chất lượng nước định kỳ.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Nước sạch là nguồn tài nguyên thiết yếu cho cuộc sống và phát triển kinh tế xã hội, đặc biệt trong bối cảnh biến đổi khí hậu và ô nhiễm môi trường ngày càng gia tăng. Theo báo cáo của ngành, tính đến cuối năm 2010, có khoảng 52,1 triệu người dân nông thôn Việt Nam được sử dụng nước hợp vệ sinh, tăng 13,3 triệu người so với năm 2005, tương đương tỷ lệ tăng trung bình 4,2% mỗi năm. Tuy nhiên, tỷ lệ sử dụng nước đạt quy chuẩn QCVN 02/BYT chỉ đạt khoảng 42%, cho thấy nhu cầu cải thiện chất lượng nước sinh hoạt còn rất lớn, đặc biệt ở các vùng ngập lũ.

Huyện Nho Quan, tỉnh Ninh Bình là một trong những khu vực thường xuyên chịu ảnh hưởng nặng nề của ngập lũ với 17 xã bị ngập, trong đó 7 xã ngập toàn diện với độ sâu từ 2,5 đến 3 mét, ảnh hưởng đến hơn 20.300 người dân. Nước lũ không chỉ gây khó khăn trong việc tiếp cận nguồn nước sạch mà còn làm ô nhiễm nghiêm trọng nguồn nước sinh hoạt, dẫn đến nguy cơ cao về các bệnh liên quan đến nước không hợp vệ sinh.

Mục tiêu nghiên cứu là ứng dụng công nghệ Nano trong lọc nước và cấp nước sinh hoạt cho vùng ngập lũ huyện Nho Quan nhằm nâng cao chất lượng nước, đảm bảo an toàn vệ sinh và đáp ứng nhu cầu sử dụng nước sạch cho người dân. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào vùng thường xuyên ngập lũ huyện Nho Quan, với thời gian khảo sát và thử nghiệm trong giai đoạn 2012-2014. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các giải pháp công nghệ tiên tiến, phù hợp với điều kiện đặc thù của vùng ngập lũ, góp phần cải thiện sức khỏe cộng đồng và phát triển bền vững.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Công nghệ Nano là ngành khoa học và kỹ thuật liên quan đến thiết kế, chế tạo và ứng dụng các vật liệu có kích thước ở quy mô nanomet (1 nm = 10^-9 m). Ba cơ sở khoa học chính của công nghệ Nano bao gồm: chuyển tiếp từ tính chất cổ điển sang tính chất lượng tử, hiệu ứng bề mặt và kích thước tới hạn. Vật liệu Nano có diện tích bề mặt lớn, khả năng hấp phụ cao và tính chất vật lý, hóa học đặc biệt, giúp loại bỏ hiệu quả các chất ô nhiễm trong nước.

Trong lĩnh vực xử lý nước, vật liệu Nano được ứng dụng dưới nhiều dạng như màng lọc Nano alumina, vật liệu cacbon Nano USVR, và các thiết bị lọc tích hợp sử dụng bạc Nano để khử trùng. Các vật liệu này có khả năng loại bỏ vi khuẩn, virus, kim loại nặng (như asen, chì, thủy ngân), các hợp chất hữu cơ và các chất gây ô nhiễm khác mà không cần sử dụng hóa chất bổ sung.

Các khái niệm chính bao gồm:

• Vật liệu Nano không chiều, một chiều và hai chiều
• Hiệu ứng bề mặt và tính chất lượng tử của vật liệu Nano
• Công nghệ lọc nước bằng vật liệu Nano dạng màng và dạng bột/hạt
• Ứng dụng vật liệu Nano trong xử lý nước nhiễm asen và các chất ô nhiễm khác

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu được thu thập từ khảo sát thực tế tại huyện Nho Quan, phân tích chất lượng nước mặt, nước ngầm và nước lũ, cùng với các tài liệu khoa học, báo cáo của các cơ quan nhà nước và kết quả nghiên cứu ứng dụng công nghệ Nano trong xử lý nước. Cỡ mẫu khảo sát bao gồm các điểm lấy mẫu nước tại 17 xã ngập lũ, với hơn 100 mẫu nước được phân tích.

Phương pháp phân tích bao gồm:

• Phân tích hóa lý và vi sinh để đánh giá chất lượng nước đầu vào và sau xử lý
• Thử nghiệm đối chứng các thiết bị lọc nước sử dụng vật liệu Nano kết hợp với các phương pháp truyền thống như keo tụ, lắng, lọc cát và than hoạt tính
• Phân tích thống kê và đánh giá hiệu quả xử lý dựa trên các chỉ tiêu như độ đục, hàm lượng vi khuẩn coliform, kim loại nặng và các chất ô nhiễm hữu cơ
• Phương pháp kế thừa và tham khảo ý kiến chuyên gia trong lĩnh vực cấp thoát nước và công nghệ Nano

Thời gian nghiên cứu kéo dài từ năm 2012 đến 2014, bao gồm khảo sát hiện trạng, thử nghiệm thiết bị, đánh giá hiệu quả và đề xuất giải pháp công nghệ phù hợp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Chất lượng nguồn nước đầu vào tại vùng ngập lũ: Kết quả phân tích cho thấy độ đục nước lũ trung bình vượt mức tiêu chuẩn cho phép từ 3 đến 5 lần, hàm lượng vi khuẩn coliform vượt 200% so với quy chuẩn QCVN 02/BYT, và nồng độ asen trong một số mẫu nước ngầm đạt tới 0,2 mg/l, vượt ngưỡng an toàn.

2. Hiệu quả xử lý nước bằng công nghệ Nano: Thiết bị lọc nước sử dụng vật liệu Nano kết hợp với quy trình keo tụ, lắng và lọc đa cấp đã giảm độ đục xuống dưới 5 NTU, giảm vi khuẩn coliform hơn 99%, và loại bỏ asen tới 95%. So với phương pháp truyền thống chỉ giảm vi khuẩn khoảng 70%, công nghệ Nano cho thấy hiệu quả vượt trội.

3. Khả năng vận hành và ứng dụng thực tế: Hệ thống lọc nước lưu động công suất 3-5 m3/h phù hợp với quy mô cấp nước cho khoảng 600-1000 người dân vùng ngập lũ. Thiết bị có trọng lượng dưới 200 kg, dễ dàng di chuyển và vận hành bằng điện hoặc bơm tay, đáp ứng yêu cầu cấp nước trong và sau mùa lũ.

4. Độ bền và chi phí vận hành: Lõi lọc Nano có tuổi thọ khoảng 6 tháng, chi phí thay thế hợp lý, trong khi các vật liệu lọc thô như cát và than hoạt tính được rửa và tái sử dụng nhiều lần. Chi phí vận hành thiết bị thấp hơn 30% so với các công nghệ lọc nước hiện đại khác như RO.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân hiệu quả cao của công nghệ Nano là do vật liệu có diện tích bề mặt lớn và khả năng hấp phụ mạnh, giúp loại bỏ triệt để các hạt ô nhiễm kích thước nhỏ và vi sinh vật gây bệnh. So với các nghiên cứu trên thế giới, kết quả này tương đồng với các ứng dụng màng lọc Nano tại Hoa Kỳ và Hàn Quốc, đồng thời phù hợp với điều kiện nguồn nước đặc thù của vùng ngập lũ Việt Nam.

Việc kết hợp công nghệ Nano với các phương pháp xử lý truyền thống tạo thành dây chuyền xử lý đa cấp giúp xử lý hiệu quả các loại nước có độ đục cao và ô nhiễm phức tạp. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh nồng độ vi khuẩn và kim loại nặng trước và sau xử lý, cũng như bảng thống kê chi phí vận hành và tuổi thọ thiết bị.

Kết quả nghiên cứu khẳng định tính khả thi và hiệu quả của công nghệ Nano trong cấp nước sinh hoạt cho vùng ngập lũ, góp phần giảm thiểu nguy cơ bệnh tật liên quan đến nước không hợp vệ sinh và nâng cao chất lượng cuộc sống người dân.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai lắp đặt hệ thống lọc nước Nano lưu động tại các xã ngập lũ: Tập trung ưu tiên các xã có mức độ ô nhiễm nước cao, với mục tiêu cung cấp nước sạch cho ít nhất 80% dân số trong vòng 2 năm tới. Chủ thể thực hiện là chính quyền địa phương phối hợp với các đơn vị chuyên môn và nhà sản xuất thiết bị.

2. Đào tạo và nâng cao năng lực vận hành, bảo trì thiết bị cho cán bộ kỹ thuật và người dân: Tổ chức các khóa tập huấn định kỳ hàng năm nhằm đảm bảo vận hành hiệu quả, kéo dài tuổi thọ thiết bị và giảm chi phí sửa chữa.

3. Phát triển chương trình truyền thông nâng cao nhận thức về sử dụng nước sạch và công nghệ lọc Nano: Hướng đến thay đổi thói quen sử dụng nước, khuyến khích người dân áp dụng công nghệ mới, dự kiến thực hiện trong 12 tháng đầu sau khi triển khai thiết bị.

4. Hỗ trợ nghiên cứu và phát triển công nghệ Nano phù hợp với điều kiện địa phương: Khuyến khích các viện nghiên cứu, trường đại học tiếp tục cải tiến vật liệu và thiết bị lọc, giảm chi phí sản xuất và tăng hiệu quả xử lý, với mục tiêu hoàn thiện trong 3 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách về cấp nước và môi trường: Luận văn cung cấp cơ sở khoa học và công nghệ để xây dựng các chương trình cấp nước sạch cho vùng ngập lũ, giúp nâng cao hiệu quả đầu tư và quản lý.

2. Các kỹ sư, chuyên gia trong lĩnh vực cấp thoát nước và xử lý nước: Tài liệu chi tiết về công nghệ Nano và quy trình xử lý nước, hỗ trợ nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn.

3. Các tổ chức phi chính phủ và doanh nghiệp hoạt động trong lĩnh vực nước sạch và phát triển cộng đồng: Tham khảo để thiết kế các dự án cấp nước sinh hoạt bền vững, phù hợp với điều kiện vùng ngập lũ.

4. Sinh viên và học viên cao học chuyên ngành cấp thoát nước, môi trường: Tài liệu tham khảo quý giá về ứng dụng công nghệ Nano trong xử lý nước, giúp nâng cao kiến thức và kỹ năng nghiên cứu.

Câu hỏi thường gặp

1. Công nghệ Nano có ưu điểm gì so với các phương pháp lọc nước truyền thống?
   Công nghệ Nano có khả năng loại bỏ hiệu quả các hạt ô nhiễm kích thước rất nhỏ, vi khuẩn, virus và kim loại nặng mà không cần sử dụng hóa chất bổ sung, giúp nước sau xử lý đạt tiêu chuẩn an toàn cao hơn. Ví dụ, thiết bị lọc Nano giảm vi khuẩn coliform hơn 99%, trong khi phương pháp truyền thống chỉ khoảng 70%.

2. Thiết bị lọc nước Nano có phù hợp với vùng ngập lũ không?
   Thiết bị lọc Nano lưu động có trọng lượng nhẹ, dễ di chuyển và vận hành bằng điện hoặc bơm tay, rất phù hợp với điều kiện vùng ngập lũ thường xuyên thay đổi và khó tiếp cận nguồn điện ổn định.

3. Chi phí vận hành và bảo trì thiết bị lọc Nano như thế nào?
   Chi phí vận hành thấp hơn khoảng 30% so với các công nghệ lọc nước hiện đại khác. Lõi lọc Nano cần thay thế sau 6 tháng sử dụng, trong khi các vật liệu lọc thô có thể tái sử dụng nhiều lần sau khi rửa lọc.

4. Công nghệ Nano có an toàn cho môi trường không?
   Vật liệu Nano như USVR là chất trơ hóa học, không tạo thành chất mới và có thể tái sử dụng nhiều lần. Tuy nhiên, việc xử lý và thải bỏ lõi lọc cần được thực hiện đúng quy trình để tránh tác động tiềm tàng đến môi trường.

5. Làm thế nào để người dân vùng ngập lũ tiếp cận và sử dụng công nghệ này hiệu quả?
   Cần có chương trình đào tạo, truyền thông nâng cao nhận thức và hỗ trợ kỹ thuật thường xuyên để người dân hiểu và vận hành thiết bị đúng cách, đồng thời chính quyền địa phương cần phối hợp hỗ trợ về mặt kỹ thuật và tài chính.

Kết luận

• Công nghệ Nano là giải pháp tiên tiến, hiệu quả trong xử lý nước sinh hoạt cho vùng ngập lũ huyện Nho Quan, giúp loại bỏ vi sinh vật, kim loại nặng và các chất ô nhiễm khác vượt trội so với phương pháp truyền thống.
• Hệ thống lọc nước Nano lưu động phù hợp với điều kiện đặc thù vùng ngập lũ, dễ dàng vận chuyển và vận hành, đáp ứng nhu cầu cấp nước sạch cho khoảng 600-1000 người dân mỗi thiết bị.
• Việc kết hợp công nghệ Nano với các phương pháp xử lý truyền thống tạo thành dây chuyền xử lý đa cấp, đảm bảo chất lượng nước đạt tiêu chuẩn QCVN 02/BYT.
• Đề xuất triển khai rộng rãi hệ thống lọc Nano, đào tạo vận hành và phát triển công nghệ phù hợp nhằm nâng cao hiệu quả và bền vững trong cấp nước sinh hoạt vùng ngập lũ.
• Các bước tiếp theo bao gồm mở rộng khảo sát, hoàn thiện thiết bị, đào tạo nhân lực và xây dựng chính sách hỗ trợ để nhân rộng mô hình trong các vùng ngập lũ khác.

Hành động ngay hôm nay để ứng dụng công nghệ Nano trong cấp nước sạch, bảo vệ sức khỏe cộng đồng và phát triển bền vững vùng ngập lũ!

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về lý thuyết công nghệ Nano 1.1 Khái niệm Công nghệ Nano (tiếng Anh: Nanotechnology) là ngành công nghệ liên quan đến việc thiết kế, phân tích, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng điều khiển hình dáng, kích thước trên quy mô Nanomet (nm, 1 nm = 10-9m). Ranh giới giữa công nghệ Nano và khoa học Nano đôi khi không rõ ràng, tuy nhiên chúng đều có chung đối tượng là vật liệu Nano. Công nghệ Nano bao gồm các vấn đề chính sau đây: - Cơ sở khoa học Nano - Phương pháp quan sát và can thiệp - Chế tạo vật liệu Nano - Ứng dụng vật liệu Nano.2 Phân loại vật liệu Nano Về trạng thái của vật liệu, người ta phân chia thành ba trạng thái: Rắn, lỏng, khí. Về hình dáng vật liệu, người ta phân chia thành các loại sau: - Vật liệu Nano không chiều - Vật liệu Nano một chiều - Vật liệu Nano hai chiều Ngoài ra còn có vật liệu có cấu trúc Nano hay Nanocomposite trong đó chỉ có một phần của vật liệu có kích thước nm, hoặc cấu trúc của nó có Nano không chiều, một chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau.3 Cơ sở khoa học của công nghệ Nano Tính chất chung: Vật liệu Nano có 3 tích chất như sau: Chuyển tiếp từ tính chất cổ điển đến tính chất lượng tử: Đối với vật liệu vĩ mô gồm rất nhiều nguyên tử, các hiệu ứng lượng tử được trung bình hóa với rất nhiều nguyên tử (1 µm3 có khoảng 1012 nguyên tử) và có thể bỏ qua các thăng giáng ngẫu nhiên.

Nhưng các cấu trúc Nano có ít nguyên tử hơn thì các tính chất lượng tử thể hiện rõ ràng hơn. Ví dụ một chấm lượng tử có thể được coi như một đại nguyên tử, nó có các mức năng lượng giống như một nguyên tử. Hiệu ứng bề mặt Khi vật liệu có kích thước nm, các số nguyên tử nằm trên bề mặt sẽ chiếm tỉ lệ đáng kể so với tổng số nguyên tử. Chính vì vậy các hiệu ứng có liên quan đến bề mặt, gọi tắt là hiệu ứng bề mặt sẽ trở nên quan trọng làm cho tính chất của vật liệu có kích thước Nanomet khác biệt so với vật liệu ở dạng khối.

Kích thước tới hạn Các tính chất vật lý, hóa học của các vật liệu đều có một giới hạn về kích thước. Nếu vật liệu mà nhỏ hơn kích thước này thì tính chất của nó hoàn toàn bị thay đổi. Người ta gọi đó là kích thước tới hạn. Vật liệu Nano có tính chất đặc biệt là do kích thước của nó có thể so sánh được với kích thước tới hạn của các tính chất của vật liệu.

Ví dụ điện trở của một kim loại tuân theo định luật Ohm ở kích thước vĩ mô mà ta thấy hàng ngày. Nếu ta giảm kích thước của vật liệu xuống nhỏ hơn quãng đường tự do trung bình của điện tử trong kim loại, mà thường có giá trị từ vài đến vài trăm nm, thì định luật Ohm không còn đúng nữa. Lúc đó điện trở của vật có kích thước Nano sẽ tuân theo các quy tắc lượng tử. Không phải bất cứ vật liệu nào có kích thước Nano đều có tính chất khác biệt mà nó phụ thuộc vào tính chất mà nó được nghiên cứu.

Các tính chất khác như tính chất điện, tính chất từ, tính chất quang và các tính chất hóa học khác đều có độ dài tới hạn trong khoảng nm. Chính vì thế mà người ta gọi ngành khoa học và công nghệ liên quan là khoa học Nano và công nghệ Nano. 8 Có 3 cơ sở khoa học để nghiên cứu công nghệ Nano: - Chuyển tiếp từ tính chất cổ điển đến tính chất lượng tử - Hiệu ứng bề mặt - Kích thước tới hạn 1.4 Hướng ứng dụng chung Các cấu trúc Nano có tiềm năng ứng dụng làm thành phần chủ chốt trong những dụng cụ thông tin kỹ thuật có những chức năng mà trước kia chưa có. Chúng có thể được lắp ráp trong những vật liệu trung tâm cho điện từ và quang.

Những vi cấu trúc này là một trạng thái độc nhất của vật chất có những hứa hẹn đặc biệt cho những sản phẩm mới và rất hữu dụng. Nhờ vào kích thước nhỏ, những cấu trúc Nano có thể đóng gói chặt lại và do đó làm tăng tỷ trọng gói. Tỷ trọng gói cao có nhiều lợi điểm: tốc độ xử lý dữ liệu và khả năng chứa thông tin gia tăng. Tỷ trọng gói cao là nguyên nhân cho những tương tác điện và từ phức tạp giữa những vi cấu trúc kế cận nhau.

Đối với vi cấu trúc, đặc biệt là những phân tử hữu cơ lớn, những khác biệt nhỏ về năng lượng giữa những cấu hình khác nhau có thể tạo được các thay đổi đáng kể từ những tương tác đó. Vì vậy mà chúng có nhiều tiềm năng cho việc điều chế những vật liệu với tỷ trọng cao và tỷ số của diện tích bề mặt trên thể tích cao, chẳng hạn như bộ nhớ. Những phức tạp này hoàn toàn chưa được khám phá và việc xây dựng những kỹ thuật dựa vào những vi cấu trúc đòi hỏi sự hiểu biết sau sắc khoa học căn bản tìm ẩn trong chúng. Những phức tạp này cũng mở đường cho sự tiếp cận với những hệ thống không tuyến tính phức tạp mà chúng có thể phô bày ra những lớp biểu hiện trên căn bản khác với những lớp biểu hiện của cả hai cấu trúc phân tử và cấu trúc ở quy mô micromet.

Khoa học Nano là một trong những biên giới của khoa học chưa được thám hiểm tường tận. Nó hứa hẹn nhiều phát minh kỹ thuật lý thú nhất.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu ứng dụng công nghệ Nano trong lọc nước trên thế giới Theo đánh giá tổng hợp của các nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu về vật liệu Nano, có 10 ứng dụng hàng đầu của vật liệu Nano trong khoa học kỹ thuật và đời sống, được thống kê ở Bảng 1.1: Ứng dụng vật liệu Nano trong khoa học kỹ thuật và đời sống STT Ứng dụng 1 Dự trữ, sản xuất và chuyển biến năng lượng 2 Tăng sản lượng nông nghiệp 3 Xử lý nước 4 Chẩn đoán bệnh và chiếu chụp 5 Hệ thống cung cấp thuốc 6 Chế biến và dự trữ thực phẩm 7 Kiểm soát ô nhiễm 8 Xây dựng 9 Giám sát sức khỏe 10 Phát hiện và kiểm soát sâu bệnh Ứng dụng vật liệu Nano trong xử lý nước có vai trò quan trọng và mở ra nhiều cơ hội được sử dụng nước sạch cho người dân các nước đang phát triển. Hiện nay, các nhà khoa học đã nghiên cứu, phát triển công nghệ xử lý nước bằng vật liệu Nano và đã có một số sản phẩm điển hình ra đời và được ứng dụng khá rộng rãi: 1. Xốp Nano giữ nước mưa do Viện Công nghệ Massachusetts (Hoa Kỳ) sản xuất: Hợp chất polymer và các hạt Nano thủy tinh được phủ trên bề mặt như vải để hút nước.

Xốp Nano hoạt động hiệu quả hơn so với vật liệu truyền thống. Xốp Nano dùng để giữ nước mưa ở các nước: Trung Quốc, Neepal và Thái Lan. Hạt Nano từ tính xử lý asen do Đại học Rice (Hoa Kỳ) sản xuất: Các hạt Nano từ tính gồm các ion oxit lơ lửng trong nước liên kết với asen, sau đó loại bỏ bằng một nam châm. Ấn Độ, Bangladesh và các nước đang phát triển khác có hàng nghìn trường hợp nhiễm độc asen mỗi năm là do các giếng nước bị ô nhiễm asen.

Màng khử mặn do Đại học California, Los Angeles và NanoH2O sản xuất: Hợp chất polyme và hạt Nano hút các ion nước và đẩy muối hòa tan. Màng khử mặn đã có mặt trên thị trường, cho phép khử mặn với chi phí năng lượng thấp hơn so với phương pháp thẩm thấu. Màng lọc Nano do Công ty Saehan (Hàn Quốc) sản xuất: Màng lọc Nano được sản xuất từ polyme có kích thước lỗ từ 0,1÷10 Nano mét. Màng lọc Nano được thử nghiệm xử lý nước uống ở Trung Quốc và khử mặn nước ở Iran đòi hỏi ít năng lượng hơn phương pháp thẩm thấu ngược.

Que nước trong lưới Nano do Phòng thí nghiệm Seldon (Hoa Kỳ) sản xuất: Thiết bị lọc có hình dạng như cọng rơm sử dụng các ống Nano cácbon đặt lên trên vật liệu dẻo có lỗ. Que nước làm sạch nước uống. Thiết bị lọc thông dụng do Công ty KX (Hoa Kỳ) sản xuất: Thiết bị lọc sử dụng lớp sợi Nano được chế tạo từ các polyme, nhựa thông, gốm và các vật liệu khác để xử lý các chất ô nhiễm. Thiết bị được chế tạo dành riêng cho hộ gia đình trong cộng đồng ở các nước đang phát triển sử dụng.

Các thiết bị lọc hiệu quả, dễ sử dụng và không cần phải bảo dưỡng. Thiết bị lọc thuốc bảo vệ thực vật do Viện Công nghệ Ấn Độ ở Chennai và Công ty TNHH Eureka Forbes (Ấn Độ) sản xuất: Thiết bị này sử dụng bạc Nano để hút và sau đó phân hủy 3 loại thuốc bảo vệ thực vật thường thấy trong các nguồn cung cấp nước ở Ấn Độ. Thuốc bảo vệ thực vật thường tồn tại trong các nguồn cung cấp nước của các nước đang phát triển. Thiết bị lọc thuốc bảo vệ thực vật có thể cung cấp cho mỗi hộ gia đình ở Ấn Độ 6000 lít nước sạch mỗi năm.3 Tổng quan tình hình nghiên cứu ứng dụng công nghệ Nano trong lọc nước ở Việt Nam Hiện nay, trong nước sử dụng rất nhiều công nghệ để xử lý nước phục vụ sinh hoạt như: - Xử lý nước bằng các công nghệ truyền thống.

- Xử lý nước bằng công nghệ màng (lọc màng RO - thẩm thấu ngược) - Xử lý nước bằng các công nghệ lọc: Dùng than hoạt tính, hạt vật liệu lọc, vật liệu lọc Nano. Công nghệ lọc bằng vật liệu Nano còn khá mới mẻ, một công nghệ hiện đại cho hiệu quả xử lý cao, giá thành phù hợp. Ở Việt Nam công nghệ Nano cũng đã thu hút được các nhà khoa học tập trung nghiên cứu, trong đó có nghiên cứu chế tạo ống Nano cacbon. Cơ sở đầu tiên chế tạo thành công ống Nano cacbon ở Việt Nam là viện Khoa học vật liệu (IMS) thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam (VAST).

Trung tâm ITIMS (thuộc Đại học Bách khoa Hà Nội) là cơ sở thứ hai chế tạo thành công Carbon Nanotubes (CNTs) vào năm 2003, tiếp theo đó là Viện Vật lý Kỹ thuật (trường Đại học Bách Khoa Hà Nội) vào khoảng đầu năm 2005.