Luận văn thạc sĩ HUS nghiên cứu đánh giá khả năng khử trùng nước sinh hoạt và ăn uống của nano ag silica

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THỊ QUY NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG KHỬ TRÙNG NƢỚC SINH HOẠT VÀ ĂN UỐNG CỦA NANO Ag/SILICA LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2017 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THỊ QUY NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG KHỬ TRÙNG NƢỚC SINH HOẠT VÀ ĂN UỐNG CỦA NANO Ag/SILICA Chuyên ngành: Khoa học môi trường Mã số: 60440301 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS Đồng Kim Loan Hà Nội – 2017 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài luận văn Thạc sĩ: “Nghiên cứu đánh giá khả khử trùng nước sinh hoạt ăn uống nano Ag/Silica” thực hướng dẫn PGS.TS Đồng Kim Loan – Giảng viên Khoa Môi trường – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội Đây chép cá nhân, tổ chức Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm nội dung mà trình bày Luận văn Hà Nội, ngày tháng năm 2017 Học viên Nguyễn Thị Quy LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LỜI CÁM ƠN Lời tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Đồng Kim Loan – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội – người trực tiếp hướng dẫn thực Luận văn này, người quan tâm giúp đỡ suốt q trình làm luận văn Tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tồn thể thầy giáo Khoa Môi trường, đặc biệt thầy cô giáo Bộ môn Công nghệ Môi trường – Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội trang bị cho tơi kiến thức bổ ích, thiết thực nhiệt tình, ân cần dạy bảo hai năm học vừa qua Tôi xin gửi lời cảm ơn tới cán bộ, nhân viên Công ty Cổ phần Nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano R&P, phịng thí nghiệm khoa Hóa học – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên tạo điều kiện trực tiếp giúp đỡ tơi q trình nghiên cứu, thực luận văn Cuối xin gửi lời biết ơn sâu sắc tới bố mẹ, gia đình bạn bè quan tâm động viên, giúp đỡ suốt trình học tập thực luận văn Hà Nội, ngày tháng năm 2017 Học viên Nguyễn Thị Quy LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƢƠNG TỔNG QUAN .3 1.1 Vật liệu nano Ag/silica 1.1.1 Tổng quan nano Ag silica 1.1.2 Cơ chế diệt khuẩn nano bạc 1.1.3 Một số phương pháp điều chế nano Ag/silica 11 1.2 Ô nhiễm vi khuẩn nước 14 1.2.1 Các vi sinh vật gây bệnh thường có nước 14 1.2.2 Vi khuẩn thị ô nhiễm vi sinh môi trường nước 16 1.2.3 Phương pháp định lượng vi khuẩn 17 1.3 Các phương pháp khử trùng nước 19 1.3.1 Khử trùng clo dẫn xuất clo 20 1.3.2 Khử trùng tia cực tím (UV) 20 1.3.3 Khử trùng Ozon 21 1.3.4 Khử trùng nano bạc 22 CHƢƠNG ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 25 2.1 Đối tượng, phạm vi mục tiêu nghiên cứu 25 2.1.1 Đối tượng nghiên cứu 25 2.1.2 Phạm vi nghiên cứu 25 2.1.3 Mục tiêu nghiên cứu 25 2.2 Dụng cụ hóa chất, thiết bị 25 2.3 Phương pháp nghiên cứu 26 2.3.1 Phương pháp tổng quan tài liệu 26 2.3.2 Phương pháp nghiên cứu phịng thí nghiệm 27 2.3.3 Phương pháp đánh giá đặc trưng tính chất vật liệu 32 CHƢƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 35 3.1 Tổng hợp vật liệu nano Ag/silica 35 3.1.1.Cấu trúc vật liệu silica 35 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 3.1.2 Nghiên cứu đặc trưng hình thái vật liệu nano Ag/silica tổng hợp 36 3.1.3 Hiệu suất gắn nano bạc lên silica 39 3.2 Nghiên cứu khả khử trùng vật liệu theo phương pháp tĩnh 40 3.2.1 So sánh khả khử trùng hai vật liệu silica nano Ag/silica40 3.2.2 Khảo sát ảnh hưởng thời gian tiếp xúc đến hiệu khử trùng 41 3.2.3 Khảo sát ảnh hưởng tỷ lệ rắn/lỏng đến hiệu khử trùng 42 3.3 Nghiên cứu ảnh hưởng số yếu tố đến khả diệt khuẩn vật liệu theo phương pháp động 44 3.3.1 Ảnh hưởng chiều cao lớp vật liệu lọc 44 3.3.2 Ảnh hưởng tốc độ dòng 45 3.3.3 Ảnh hưởng chất hữu đến khả khử trùng 47 3.3.4 Ảnh hưởng số ion phổ biến nước sinh hoạt 49 3.4 Khảo sát khả khử trùng vật liệu nano Ag/silica với mẫu thực 51 3.4.1 Hiệu khử trùng nước cấp 52 3.4.2 Đánh giá tính an toàn vật liệu 52 3.5 Tính tốn chi phí sản xuất vật liệu 53 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Ưu nhược điểm số phương pháp khử trùng nước ăn uống 23 Bảng 2.1 Dụng cụ, hóa chất thiết bị sử dụng thí nghiệm 25 Bảng 3.1 Hiệu suất tổng hợp nano bạc silica 39 Bảng 3.2 Kết khảo sát khả khử trùng hai vật liệu 40 Bảng 3.3 Kết khảo sát ảnh hưởng tỷ lệ rắn/lỏng 43 Bảng 3.4 Sự phụ thuộc hiệu khử trùng vào tốc độ dòng 46 Bảng 3.5 Ảnh hưởng chất hữu tới khả khử trùng 48 Bảng 3.6 Nồng độ số thông số phổ biến nước 50 Bảng 3.7 Kết sát ảnh hưởng số thông số nước 50 Bảng 3.8 Hiệu khử trùng nước cấp .52 Bảng 3.9 Kết xác định hàm lượng bạc giải phóng vào nước sau q trình lọc.53 Bảng 3.10 Tính tốn chi phí sản xuất 10kg vật liệu 54 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Khẩu trang nano bạc Hình 1.2 Dung dịch nano bạc dùng thủy sản nông nghiệp Hình 1.3 Cấu trúc SiO2 Hình 1.4 Cơ chế diệt khuẩn nano bạc 10 Hình 1.5 Quá trình tổng hợp nano bạc gắn lên silica rỗng chức hóa (AgNPBs) 14 Hình 2.1 Sơ đồ quy trình tổng hợp vật liệu nano Ag/silica .28 Hình 3.1 Đồ thị đường đẳng nhiệt BET N2 vật liệu silica 35 Hình 3.2 Đồ thị biểu diễn toạ độ BET silica hấp phụ N2 36 Hình 3.3 Vật liệu nano Ag/silica tổng hợp .37 Hình 3.4 Phổ UV-VIS vật liệu nano Ag/silica 37 Hình 3.5 Ảnh SEM vật liệu nano Ag/silica .38 Hình 3.6 Phổ tán xạ luợng vật liệu nano Ag/silica 39 Hình 3.7 Khảo sát khả khử trùng hai vật liệu 40 Hình 3.8 Ảnh hưởng thời gian tiếp xúc đến khả khử trùng 41 Hình 3.9 Đồ thị thể phụ thuộc hiệu khử trùng vào thời gian tiếp xúc 42 Hình 3.10 Hình ảnh coliforms sau khảo sát ảnh hưởng tỷ lệ rắn/lỏng đến khả khử trùng nano Ag/silica 43 Hình 3.11 Đồ thị ảnh hưởng tỷ lệ rắn/lỏng tới hiệu khử trùng 43 Hình 3.12 Kết khảo sát ảnh hưởng chiều cao cột vật liệu 44 Hình 3.13 Hình ảnh coliforms sau khử trùng vật liệu theo chiều cao cột vật liệu 45 Hình 3.14 Kết khảo sát ảnh hưởng tốc độ dòng 46 Hình 3.15 Hình ảnh coliforms sau khảo sát ảnh hưởng tốc độ dịng 47 Hình 3.16 Đồ thị thể kết khảo sát ảnh hưởng chất hữu tới khả khử trùng nano Ag/silica 49 Hình 3.17 Đồ thị ảnh hưởng số ion phổ biến nước tới khả khử trùng 50 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ADN Axit deoxyribonucleic APTES 3-Aminopropyltriethoxysilane BET Phương pháp xác định bề mặt riêng (Bruner – Emmett – Teller) CFU Số lượng đơn vị hình thành khuẩn lạc (Colony Forming Unit) EDA Cục Bảo vệ môi trường Mỹ (United States Environmental Protection Agency) EDX Phổ tán xạ lượng tia X (Energy-dispersive X-ray) KPH Không phát MPN Số lượng chắn (Most probable number) SEM Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscopy) UNICEF Quỹ nhi đồng liên hợp quốc (United Nations International Children's Emergency Fund) USFDA Cục Quản lý thực phẩm dược phẩm Mỹ (United States Food and Drug Administration) UV Tia tử ngoại (Ultraviolet) WHO Tổ chức y tế giới (World Health Organization) LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com MỞ ĐẦU Nước điều kiện tiên cho sức khoẻ phát triển quyền người Hàng năm, giới có ba triệu người, chủ yếu trẻ em, tử vong bệnh liên quan đến nước Gần hai triệu người chết hậu bệnh tiêu chảy uống nước nhiễm bẩn, thiếu nước sạch, điều kiện vệ sinh Tài nguyên nước bị nhiễm góp phần làm lây lan bệnh tiếp xúc với da trùng Mặc dù phủ, xã hội cộng đồng quốc tế tiếp tục nỗ lực phối hợp nhằm cải thiện việc tiếp cận nước (đặc biệt Thập niên quốc tế Nước uống Vệ sinh, 1981-1990) khoảng 1,1 tỷ người không tiếp cận với nguồn nước [26] Ngày nay, phương pháp khử trùng nước thường sử dụng clo dẫn xuất clo, ozon, tia UV… hay cổ điển phương pháp nhiệt (đun sôi) Tuy nhiên, phương pháp chưa mang lại hiệu cao bộc lộ số hạn chế tạo hợp chất clo, gây tồn dư hóa chất, nhiệt độ sôi nước số vi sinh vật không bị tiêu diệt… Trong năm gần đây, việc lựa chọn hóa chất, vật liệu khử trùng nước thân thiện với môi trường, đặc biệt không ảnh hưởng tới sức khỏe người nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu Từ lâu, nano bạc biết đến chất có tính kháng khuẩn cao, hạn chế tiêu diệt phát triển nấm mốc, vi khuẩn chí virut So với phương pháp khử khuẩn truyền thống, bạc có hiệu diệt khuẩn cao, khơng tạo sản phẩm phụ gây độc với môi trường [7,24] Hiệu bạc tăng lên gấp nhiều lần kích thước nano So với bạc kích thước micromet lớn hơn, hạt nano bạc có diện tích bề mặt lớn, phân bố môi trường chất mang làm tăng khả tiếp xúc, làm tăng hiệu làm việc vật liệu [4,7] Vì nghiên cứu tập trung vào việc nghiên cứu chế tạo nano bạc mang LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Với lượng coliforms mẫu thử nghiệm 62 khuẩn lạc/100ml, thời gian tiếp xúc ngắn (40 giây) tỷ lệ vật liệu tối thiểu cần dùng để mẫu khử trùng hồn toàn 100% vi sinh vật 1:100 hay lượng vật liệu tối thiểu cần dùng 1% thể tích mẫu 3.3 Nghiên cứu ảnh hƣởng số yếu tố đến khả diệt khuẩn vật liệu theo phƣơng pháp động 3.3.1 Ảnh hưởng chiều cao lớp vật liệu lọc Cố định tốc độ dòng 3,8ml/phút.cm2, tiến hành khảo sát hiệu khử trùng vật liệu chiều cao cột lọc thay đổi 1, 2, 3, 4, cm, với mật độ coliforms đầu vào 68 khuẩn lạc/100ml Điều chỉnh tốc độ dòng nhờ van cột lọc, đường kính cột lọc 1cm, tiết diện cột 0,785 cm2 Mẫu phân tích vi sinh lấy sau cột chạy ổn định phút Kết thu hình 3.12 3.13: Hình 3.12 Kết khảo sát ảnh hưởng chiều cao cột vật liệu 44 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 1cm 2cm 4cm 3cm 5cm Hình 3.13 Hình ảnh coliform sau khử trùng vật liệu theo chiều cao cột vật liệu Khi cố định tốc độ dòng, ta thấy khả diệt khuẩn vật liệu phụ thuộc vào chiều cao cột Khi tăng dần chiều cao cột lọc hiệu khử trùng tăng theo tăng thời gian tiếp xúc vật liệu Chiều cao cột thấp, dẫn đến thời gian tiếp xúc bạc vi khuẩn ngắn, khiến vật liệu chưa kịp tiêu diệt hết vi khuẩn nên chúng có mặt đầu Như vậy, với tốc độ dòng 3,8 ml/phút.cm2, chiều cao cột tối thiểu 3cm, vật liệu khử trùng 100% vi khuẩn mẫu 3.3.2 Ảnh hưởng tốc độ dòng Tốc độ lọc ảnh hưởng nhiều đến hiệu khử trùng vật liệu Thí nghiệm thực với tốc độ lọc khác nhau, cố định chiều cao cột lọc 3cm, đường kính cột lọc 1cm, tiết diện cột 0,785 cm2, thay đổi từ 2,3-7,5 ml/phút.cm2 45 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Mẫu nước thử nghiệm có mật độ coliforms ban đầu 64 khuẩn lạc/10ml Mẫu phân tích vi sinh lấy sau cột chạy ổn định phút Kết thu sau: Bảng 3.4 Sự phụ thuộc hiệu khử trùng vào tốc độ dòng Tốc độ dòng (ml/phút.cm2) 7,5 5,8 4,1 2,3 Kí hiệu mẫu V1 V2 V3 V4 Số khuẩn lạc/100ml 42 19 KPH KPH Hình 3.14 Kết khảo sát ảnh hưởng tốc độ dòng 46 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com V1 V2 V3 V4 Hình 3.15 Hình ảnh coliform sau khảo sát ảnh hưởng tốc độ dòng Đồ thị cho thấy khả diệt khuẩn vật liệu phụ thuộc vào tốc độ dòng Với chiều cao cột cố định 3cm thay đổi tốc độ dòng ta thấy số khuẩn lạc giảm dần giảm tốc độ dòng (tăng thời gian tiếp xúc) Nếu tốc độ dịng lớn 4,1ml/phút.cm2 vi khuẩn có mặt đầu tốc độ dịng q nhanh khiến bạc chưa có đủ thời gian tiếp xúc với vi khuẩn để tiêu diệt Như vậy, với tiết diện cột 0,785 cm2, chiều cao cột 3cm, tương đương thể tích vật liệu 2,355 cm3, tốc độ dòng khảo sát tối đa 4,1ml/phút.cm2 cho hiệu khử trùng đạt 100% 3.3.3 Ảnh hưởng chất hữu đến khả khử trùng Mẫu nước đối chứng có hàm lượng chất hữu 1,08 mg/l Lấy 3lít mẫu nước đối chứng, thêm thể tích dung dịch có hàm lượng chất hữu 500 mg/l, mẫu nước thử nghiệm có hàm hượng chất hữu 20,3 mg/l Mật độ coliforms mẫu 65 khuẩn lạc/100ml Thí nghiệm thực với chiều cao cột lọc 3cm, tốc độ dịng 4ml/phút.cm2, đường kính cột lọc 1cm, tiết diện cột 0,785 cm2 Mẫu phân tích vi sinh lấy sau cột chạy ổn định phút Kết thử nghiệm thể bảng 3.5 47 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Bảng 3.5 Ảnh hƣởng chất hữu tới khả khử trùng Thể tích Đầu (số khuẩn lạc/100ml) mẫu xử lý (ml) Mẫu đối chứng Mẫu nƣớc khử trùng 100 KPH KPH 200 KPH KPH 300 KPH KPH 400 KPH KPH 500 KPH KPH 600 KPH 700 KPH 19 800 47 900 27 65 Qua kết nghiên cứu cho thấy, chất hữu nước ảnh hưởng không nhỏ đến khả khử trùng Với lượng chất hữu đầu vào 20,3 mg/l làm giảm khoảng 30% hiệu suất khử trùng nano bạc Khả kháng khuẩn nano bạc chịu ảnh hưởng tiêu cực chất hữu nước Các chất hữu hấp phụ bề mặt nano bạc dẫn đến làm giảm tiếp xúc nano bạc vi khuẩn, làm giảm khả khử trùng Ngoài ra, hấp phụ chất hữu làm cản trở giải phóng nano bạc vào nước làm giảm hoạt tính kháng khuẩn 48 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình 3.16 Đồ thị thể kết khảo sát ảnh hưởng chất hữu tới khả khử trùng nano Ag/silica 3.3.4 Ảnh hưởng số ion phổ biến nước sinh hoạt Nồng độ số ion nước thử nghiệm pha theo QCVN 02:2009 BYT, Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia chất lượng nước sinh hoạt Lấy lít mẫu nước thử nghiệm (mẫu đối chứng) sau thêm lượng dung dịch chuẩn Fe, Cl-, As, NH4+, độ cứng để dung dịch mẫu cần khử trùng có nồng độ bảng 3.6 Mật độ coliforms ban đầu có mẫu 68 khuẩn lạc/100ml 49 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Bảng 3.6 Nồng độ số thông số phổ biến nƣớc Nồng độ (mg/l) Các thông số Mẫu đối chứng Mẫu cần khử trùng Fe 0,05 0,51 Cl- 96 302 As