Nghiên cứu chế tạo tấm lọc tiên tiến trên cơ sở nano graphen ứng dụng lọc bụi mịn và kháng khuẩn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu chế tạo lọc tiên tiến sở nano graphen ứng dụng lọc bụi mịn kháng khuẩn PHẠM THỊ KIỀU TRANG Trang.PTK202851M@sis.hust.edu.vn Ngành Kỹ thuật Hóa học Giảng viên hướng dẫn 1: TS Nguyễn Thị Hồng Phượng Viện: Kỹ thuật Hóa học Giảng viên hướng dẫn 2: TS Lã Đức Dương Chữ ký GVHD Chữ ký GVHD Viện: Hóa học Vật liệu, Viện KH&CN QS HÀ NỘI, 07/2022 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn: Phạm Thị Kiều Trang Đề tài luận văn: Nghiên cứu chế tạo lọc tiên tiến sở nano graphen ứng dụng lọc bụi mịn kháng khuẩn Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học Mã số HV: 20202851M Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày 21/07/2022 với nội dung sau: Sửa lại lỗi tả trang: 8, 9, 14, 16, 18, 23, 25, 37, 42, 45, 47 Bổ sung tổng quan vi khuẩn mơi trường khơng khí Đã rút gọn phần tổng quan vải không dệt Mục c trang 31 chỉnh sửa từ “Tổng hợp nanocomposite Ag/GNPs dịch chiết vối” thành “Tổng hợp nanocomposite Ag/GNPs dịch chiết thực vật” Phần thực nghiệm bổ sung địa đo đạc góc tiếp xúc nước Chỉnh sửa tiêu đề mục 3.1 từ “Kết tổng hợp vật liệu Ag/GNPs từ AgNO3” thành “Tổng hợp xanh vật liệu Ag/GNPs từ AgNO dịch chiết từ vối” Bỏ hình 3.10 hình 3.16 Giáo viên hướng dẫn Ngày 17 tháng 08 năm 2022 Tác giả luận văn CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG Lời cảm ơn Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS Nguyễn Thị Hồng Phượng TS Lã Đức Dương giao đề tài, tận tình hướng dẫn em, truyền đạt kiến thức, cho em lời khuyên, kinh nghiệm quý báu Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy cô giáo môn Công nghệ chất vô thầy cô giáo trường Đại học Bách Khoa Hà Nội giảng dạy cho em kiến thức tảng, tạo điều kiện tốt cho em trình học tập, nghiên cứu Cuối em xin chân thành cảm ơn lãnh đạo Công ty Cổ phần Công nghệ Nano Ứng dụng, đồng nghiệp, gia đình bạn bè, ln tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em suốt q trình học tập hồn thành luận văn Em xin chân thành cảm ơn! Tóm tắt nội dung luận văn Ơ nhiễm khơng khí vấn đề nhức nhối quốc gia giới q trình thị hóa phát triển cơng nghiệp nhanh chóng với mật độ giao thơng dày đặc Trong hạt bụi lơ lửng khơng khí ngun nhân gây nhiều vấn đề sức khỏe người hệ sinh thái bệnh tim, bệnh phổi, tiểu đường, chứng trí nhớ, bệnh gan, ung thư bàng quang, giòn xương tổn thương da [1] Đặc biệt thời điểm nay, mà dịch bệnh COVID-19 hoành hành dội, loại virus thường có kích cỡ vài chục nm, chúng thường tồn mơi trường giọt lỏng li ti có kích thước >2.5 µm, việc sử dụng vật liệu lọc bụi mịn có chất lượng đảm bảo cần thiết, tránh lây lan dịch bệnh Tuy nhiên số virus tồn vật liệu lọc, việc đưa thêm vào vật liệu nano Ag kháng khuẩn nano graphen tăng đáng kể hiệu diệt vi khuẩn, virus lọc Xuất phát từ thực tế đó, đề tài chọn “Nghiên cứu chế tạo lọc tiên tiến sở nano graphen ứng dụng lọc bụi mịn kháng khuẩn” Với mục đích chế tạo lọc tiên tiến sở nano graphen, đánh giá khả lọc bụi mịn kháng khuẩn lọc chế tạo với nội dung bao gồm: Tổng hợp, đặc trưng tính chất, đánh giá khả kháng khuẩn vật liệu Ag/GNPs, chế tạo lọc phủ Ag/GNPs, khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất lọc bụi, tính kị nước, khả kháng khuẩn khả tái sử dụng lọc chế tạo HỌC VIÊN Ký ghi rõ họ tên MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG DANH SÁCH VIẾT TẮT LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 Tổng quan bụi mịn PM10 PM2.5 chế lọc bụi 1.1.1 Khái niệm bụi mịn PM10 PM2.5 1.1.2 Phân loại bụi mịn 1.1.3 Cơ chế lọc hạt vi bụi aerosol 1.1.4 Đánh giá hiệu lọc Tổng quan vi khuẩn mơi trường khơng khí 10 1.2.1 Virus Corona 11 1.2.2 Virus Cúm 11 1.2.3 Vi khuẩn Lao 12 Tổng quan vải không dệt 12 1.3.1 Các khái niệm vải không dệt 12 1.3.2 Nguyên liệu sản xuất vải không dệt 13 1.3.3 Lựa chọn vật liệu lọc polime từ số loại vải không dệt 14 Tổng quan graphen 15 1.4.1 Giới thiệu vật liệu graphen 15 1.4.2 Phương pháp tổng hợp graphen 18 1.4.3 Ứng dụng graphen 20 1.4.4 Graphen chế tạo lọc bụi mịn kháng khuẩn 22 Biến tính nano graphen với nano bạc kháng khuẩn 23 1.5.1 Hạt nano Ag 23 1.5.2 Vật liệu nano composite Ag/GNPs 27 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 33 2.1 2.2 Hóa chất dụng cụ 33 2.1.1 Hóa chất 33 2.1.2 Dụng cụ, thiết bị 33 Các quy trình thực nghiệm 33 2.2.1 Quy trình phân tán graphen nồng độ 10 g/L 33 2.3 2.2.2 2.2.3 Quy trình chiết xuất dịch vối 34 Quy trình phủ Ag lên graphen 35 2.2.4 Quy trình phủ Ag/GNPs lên vải khơng dệt PP 36 Phương pháp đánh giá hiệu lọc bụi lọc chế tạo [69] 37 2.3.1 Cách chế tạo bụi mịn 37 2.3.2 Phương pháp đánh giá khả lọc bụi mịn 37 2.4 Quy trình đánh giá khả kháng khuẩn vật liệu Ag/GNPs 39 2.5 Phương pháp đặc trưng vật liệu 39 2.5.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X (X-ray diffraction: XRD) 39 2.5.2 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét SEM (Scanning Electron Microscope, viết tắt SEM) 40 2.5.3 Phương pháp phổ hồng ngoại (FTIR) 41 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 42 3.1 3.2 Tổng hợp xanh vật liệu Ag/GNPs từ AgNO3 dịch chiết từ vối 42 3.1.1 Tổng hợp vật liệu 42 3.1.2 Đặc trưng vật liệu Ag/GNPs tổng hợp 43 3.1.3 Đánh giá khả kháng khuẩn vật liệu Ag/GNPs 46 Kết chế tạo lọc 47 3.2.1 Kết chế tạo lọc 47 3.2.2 Đánh giá hình thái lọc phương pháp đo SEM 47 3.2.3 Nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến khả lọc bụi 49 3.2.4 Khảo sát tính kỵ nước, khả kháng khuẩn khả tái sử dụng lọc chế tạo 57 CHƯƠNG KẾT LUẬN 62 4.1 Kết luận 62 4.2 Cơng trình công bố 62 4.3 Hướng phát triển đồ án tương lai 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Đường phố bị nhiễm bụi mịn khơng khí Hình 1.2 Q trình lọc giọt lỏng li ti kết tụ sợi lọc Hình 1.3 Một số nguyên lý cho trình lọc hạt vi bụi Hình 1.4 Mô cấu trúc nCoV 11 Hình 1.5 Bệnh lao phổi 12 Hình 1.6 Vải khơng dệt 14 Hình 1.7 Một số vật liệu lọc polime thông dụng hiệu lọc chúng .15 Hình 1.8 Graphen – vật liệu có cấu trúc (2D) cho vật liệu cacbon khác (0D, 1D, 3D) [13] 15 Hình 1.9 Cấu trúc graphen 17 Hình 1.10 Liên kết σ graphen [8] 17 Hình 1.11 Liên kết π graphen [21] 17 Hình 1.12 Một số phương pháp chế tạo graphen [23] 18 Hình 1.13 Phương pháp bóc tách vi băng keo 19 Hình 1.14 Cơ chế tạo màng graphen phương pháp bốc bay nhiệt đế SiC 20 Hình 1.15 Mơ hình khử graphen oxide tạo graphen 20 Hình 1.16 Graphen ứng dụng công nghệ vi điện tử 21 Hình 1.17 Sản phẩm graphen ink thương mại hóa .21 Hình 1.18 Hình ảnh TEM vật liệu polypropylen/graphen composite 23 Hình 1.19 Cơ chế kháng khuẩn hạt nano bạc [48] 24 Hình 1.20 Các phương pháp tổng hợp hạt nano bạc 26 Hình 1.21 Ngun tắc hóa học xanh 28 Hình 1.22 Các đường tổng hợp nano kim loại phương pháp tổng hợp xanh 29 Hình 1.23 Tổng hợp xanh AgNPs từ dịch chiết thực vật 30 Hình 2.1 Sơ đồ khối quy trình cơng nghệ chế tạo graphen phân tán 34 Hình 2.2 Các bước chế tạo dịch vối 34 Hình 2.3 Sơ đồ chế tạo vật liệu nanocomposite Ag/GNPs (AgNO 3/GNPs 30%) 35 Hình 2.4 Quy trình pha chất kết dính silicon thành phần 36 Hình 2.5 Quy trình đo hiệu lọc bụi 38 Hình 2.6 Thiết bị tạo theo dõi thay đổi nồng độ bụi 38 Hình 2.7 Thiết bị đo bụi mịn thực tế nhóm nghiên cứu 38 Hình 2.8 Mơ tả hình học định luật Bragg 39 Hình 3.1 Ag/GNPs tổng hợp với %AgNO3/GNPs A)30%, B)50%, C)70%, D)100% 42 Hình 3.2 Hình ảnh XRD nanocomposite Ag/GNPs với hàm lượng AgNO3/GNPs khác nhau: (a) 30%, (b) 50%, (c) 70%, (d) 100% 43 Hình 3.3 Hình ảnh SEM (A) Nano graphen, (B) Nano AgNPs 44 Hình 3.4 Kết đo SEM mẫu Ag/GNPs với (A) AgNO3/GNPs 30%, (B) AgNO3/GNPs 50%, (C) AgNO3/GNPs 70%, (D) AgNO3/GNPs 100% 44 Hình 3.5 Phổ FTIR dịch chiết vối nanocomposite Ag/GNPs điều chế từ dịch chiết vối 45 Hình 3.6 Hoạt tính kháng khuẩn (a) mẫu đối chứng (b) graphen, (c) hạt nano Ag, (d) nanocomposite Ag/graphene chống lại E coli phương pháp khuếch tán qua giếng thạch 46 Hình 3.7 Hình ảnh (A) vải khơng dệt ban đầu, (B) Hình ảnh lọc chế tạo 47 Hình 3.8 Hình ảnh SEM (a) vải không dệt PP ban đầu, (b) vải không dệt PP phủ Ag/ GNPs trước sử dụng chất kết dính, (c) vải khơng dệt PP phủ Ag/ GNPs sau phủ chất kết dính, (d) hình ảnh quang học vải không dệt PP phủ Ag/ GNPs 48 Hình 3.9 Hình ảnh SEM (a) vải không dệt PP ban đầu, (b) vải không dệt PP phủ graphen trước sử dụng chất kết dính, (c) vải khơng dệt PP phủ graphen sau phủ chất kết dính, (d) hình ảnh quang học vải khơng dệt PP phủ graphen 49 Hình 3.10 Hình ảnh quang học mặt cắt ngang giọt nước bề mặt vải không dệt ban đầu 58 Hình 3.11 Hình ảnh quang học mặt cắt ngang giọt nước bề mặt vải không dệt phủ Ag/GNPs chưa có chất kết dính 58 Hình 3.12 Hình ảnh quang học mặt cắt ngang giọt nước bề mặt vải khơng dệt phủ Ag/GNPs có chất kết dính 59 Hình 3.13 Hoạt tính kháng khuẩn (a) vải không dệt ban đầu (b) vải không dệt tích hợp Ag/ GNPs điều chế với 1,5% w/ w Ag/ GNPs 1,0% w/ w keo silicon 59 Hình 3.14 Hình ảnh SEM (a) vải khơng dệt Ag/ GNPs bão hịa PMs (b) vải không dệt Ag/ GNPs giặt 60 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Các tính chất graphen đơn lớp 18 Bảng 3.1 Hiệu suất lọc bụi lọc sử dụng chất kết dính silicon với hàm lượng chất đóng rắn 0,2 ml 49 Bảng 3.2 Hiệu suất lọc bụi lọc sử dụng chất kết dính silicon với hàm lượng chất đóng rắn 0,4 ml 50 Bảng 3.3 Hiệu suất lọc bụi lọc sử dụng chất kết dính silicon với hàm lượng chất đóng rắn 0,6 ml 51 Bảng 3.4 Hiệu suất lọc bụi lọc sử dụng chất kết dính silicon với hàm lượng chất đóng rắn 0,8 ml 51 Bảng 3.5 Hiệu suất lọc bụi lọc sử dụng chất kết dính silicon với hàm lượng chất đóng rắn 1,0 ml 52 Bảng 3.6 Kết đo hiệu suất lọc bụi mẫu với hàm lượng phần cứng chất kết dính khác 53 Bảng 3.7 Bảng % Ag/GNPs lọc 53 Bảng 3.8 Hiệu suất lọc bụi vải không dệt ban đầu .54 Bảng 3.9 Hiệu suất lọc bụi mẫu 54 Bảng 3.10 Hiệu suất lọc bụi mẫu 55 Bảng 3.11 Hiệu suất lọc bụi mẫu 55 Bảng 3.12 Hiệu suất lọc bụi mẫu 56 Bảng 3.13 Hiệu suất lọc bụi mẫu với hàm lượng GNPs/vải khác 57 Bảng 3.14 Kết khảo sát khả lọc bụi mịn lọc sau 0, 1, 2, lần giặt 60 Bảng 3.15 Hiệu suất lọc bụi mịn lọc sau 0, 1, 2, lần giặt 61 DANH SÁCH VIẾT TẮT STT Ký hiệu SEM XRD FTIR Ag/GNPs Ý nghĩa Kính hiển vi điện tử quét Phương pháp nhiễu xạ tia X Phổ hồng ngoại (Fourier–transform infrared spectroscopy) Vật liệu nanocomposite bạc/graphen Ag/GNPs/Eth Nanocomposite bạc/graphen phân tán ethanol LPE PP Phương pháp bóc tách lớp pha lỏng (Liquid-phase exfoliation – LPE) để tổng hợp graphen Vải không dệt loại màng polypropylene AgNPs Nano bạc GNPs Nano graphen 10 SDS Chất hoạt động bề mặt Natri dodecyl sulfat 11 PMs Các hạt bụi mịn PM10 PM2.5 12 PAN Polyacrylonitrile 13 PVP Polyvinylpyrrolidone 14 PMMA Poly(methyl methacrylate) 15 PM10 Các hạt bụi có kích thước nhỏ 10 µm 16 PM2.5 Các hạt bụi có kích thước nhỏ 2.5 µm LỜI MỞ ĐẦU Ơ nhiễm khơng khí vấn đề nhức nhối quốc gia giới q trình thị hóa phát triển cơng nghiệp nhanh chóng với mật độ giao thơng dày đặc Trong hạt bụi lơ lửng khơng khí nguyên nhân gây nhiều vấn đề sức khỏe người hệ sinh thái bệnh tim, bệnh phổi, tiểu đường, chứng trí nhớ, bệnh gan, ung thư bàng quang, giòn xương tổn thương da [1] Việt Nam quốc gia có tiến trình cơng nghiệp hóa phát triển nhanh chóng nên vấn đề nhiễm mơi trường nồng độ bụi khơng khí cao trở nên trầm trọng Đặc biệt khu vực thành thị Hà Nội nơi mà q trình thị hóa diễn nhanh, mật độ phương tiện giao thơng dày đặc vấn đề ô nhiễm bụi mịn siêu vi khơng khí trở nên trầm trọng Rất nhiều mối quan tâm cấp quyền người dân đưa xử lý bụi mịn đặc biệt giảm thiểu tác hại bụi mịn đến sức khỏe người hệ sinh thái Tuy nhiên Việt Nam nghiên cứu vật liệu lọc chưa thực quan tâm Các vật liệu lọc bụi tiên tiến sử dụng cho lọc bụi mịn có hiệu cao thiết bị lọc khơng khí chủ yếu nhập từ nước ngồi, chí nhiều nhà nhập sản xuất cịn khơng kiểm sốt chất lượng hiệu chúng Tại Việt Nam, đặc biệt địa bàn Hà Nội thời gian gần nhiều công ty sản xuất vải không dệt có loại vải lọc sử dụng cho trang, nhiên hầu hết loại vải lọc khả khử mùi, kháng khuẩn Cho nên việc biến tính sử dụng vật liệu nano tiên tiến làm tăng hiệu lọc bụi, tăng độ bền vật liệu lọc, độ thống khí, khử mùi, khử trùng khử khuẩn cho vật liệu lọc, góp phần chế tạo vật liệu lọc tiên tiến chất lượng cao có giá thành thấp từ số loại vật liệu lọc sản xuất nước Vì thế, nguồn vật liệu lọc gốc sử dụng để biến tính đề tài số loại vải không dệt Vật liệu nano tiên tiến dùng để biến tính vải lọc nano graphen, kết hợp với số nano có khả kháng khuẩn tốt Một số nghiên cứu cho thấy sản phẩm nano graphen có khả hấp phụ tốt loại dầu dung môi hữu dẫn đến khả khử mùi lọc hạt siêu vi bụi lỏng ướt hay lỏng khơng ướt tốt, có khả tăng độ bền vật liệu composite, khả tương hợp tốt với nano vô cơ, khả thẩm thấu tương đối tốt vật liệu polime… Do sử dụng nano graphen để tăng tính vật liệu lọc, đặc biệt tăng khả lọc bụi mịn hoàn toàn khả thi Đặc biệt thời điểm nay, mà dịch bệnh hoành hành dội COVID-19 gây nên, loại virus thường có kích cỡ vài chục nm, chúng thường tồn môi trường giọt lỏng li ti có kích thước >2.5 µm, việc sử dụng vật liệu lọc bụi mịn có chất lượng đảm bảo cần thiết, tránh lây lan dịch bệnh Tuy nhiên số virus tồn vật liệu lọc, việc đưa thêm vào vật liệu nano Ag kháng khuẩn nano graphen tăng đáng kể hiệu diệt vi khuẩn, virus vật liệu lọc Xuất phát từ thực tế đó, đề tài chọn “Nghiên cứu chế tạo lọc tiên tiến sở nano graphen ứng dụng lọc bụi mịn kháng khuẩn” Với mục đích nghiên cứu chế tạo lọc tiên tiến sở nano graphen (GNPs) đánh