Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật môi trường: Nghiên cứu mô hình Pilot khử trùng nước giếng bằng vật liệu Ag-TiO2-SiO2 kết hợp ánh sáng mặt trời

Các yêu tô ảnh hưởng đến hiệu quả diệt khuẩn của vật liệu được xem xét trong nghiên cứu như: tỉ lệ Ag/P25, hàm lượng vật liệu Ag-TiO2-SiOz, thay đôi nguồn chiếu sáng, lượng ion Ag phóng

DOAN THI KIM QUYEN

NGHIEN CUU MO HINH PILOT KHU TRUNG NUOCGIENG BANG VAT LIEU Ag-TiO2-SiO2 KET HOP ANH

SANG MAT TRỜI

STUDY ON THE DISINFECTION OF GROUND WATER USINGA PILOT — SCALE PHOTOCATALYTIC SYSTEM CONTAINING

Ag-TiO2-Si02 UNDER SOLAR IRRADIATION

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Môi Truong

Mã số: 60 52 03 20

LUẬN VAN THẠC SĨ

TP HỎ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2017

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS Nguyễn Nhật Huy

4 Ủy viên TS Nguyễn Như Sang5 Thư ký TS Võ Thanh HằngXác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên

ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nêu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐÔNG TRƯỞNG KHOA

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Đoàn Thị Kim Quyên MSHV: 1570069

Ngày, thang, năm sinh: 02/10/1992 Nơi sinh: Tiền Giang

Chuyên ngành: Kỹ thuật Môi trường Mã số: 60 52 03 20

TÊN DE TÀI: Nghiên cứu mô hình pilot khử trùng nước giếng bang vật liệu SiO» kết hợp ánh sáng mặt trời (Study on the disinfection of ground water using a pilot —

Ag-TiO>-scale photocatalytic system containing Ag-TiO2-SiO2 under solar irradiation).

NHIỆM VU VÀ NỘI DUNG:

- Mô hình từng mẻ: chuẩn bị vật liệu Ag-P25, Ag-TiOa-SiOa Thí nghiệm các yêu tô

ảnh hưởng đến hiệu quả diệt khuẩn của vật liệu dạng bột đối với nguồn nước giả lậpE.coli ATCC 25922 dưới ánh sáng mặt trời Bao gồm các yếu tố ảnh hưởng: tỷ lệ %Ag/P25, hàm lượng vật liệu, các chất xúc tác quang khác nhau và các nguồn chiếu sáng

khác nhau- Mô hình dòng chảy liên tục: phủ lớp phim mỏng vật liệu Ag-T1Oa-S1O› lên hạt kính

có kích thước từ 0,45 — 0,9 mm Thí nghiệm hiệu quả diệt khuẩn của lớp phim mỏng

trên hai mô hình khử trùng:+ Thí nghiệm các yêu tố ảnh hưởng đến mô hình khử trùng có máng parabol trụ: anh

hưởng của vận tốc nước chảy, ảnh hưởng của thời gian lưu nước, ảnh hưởng củacường độ bức xạ, ảnh hưởng của pH và hiệu quả diệt khuẩn theo thời gian

+ Thí nghiệm các yêu tố ảnh hưởng đến mô hình khử trùng có máng parabol ghépđôi: ảnh hưởng của thời gian lưu nước, ảnh hưởng của cường độ bức xạ và hiệu

quả diệt khuẩn theo thời gian.Il NGÀY GIAO NHIỆM VU: 16/01/2017II NGÀY HOÀN THÀNH NHIEM VU: 07/2017IV CAN BO HUONG DAN: TS Nguyễn Nhật Huy

Tp HCM, ngay thang nam 2017

CAN BO HUONG DAN CHU NHIEM BO MON DAO TAO(Họ tên và chữ ky) (Họ tên và chữ ký)

TRUONG KHOA (Họ tên và chữ ký)

LOI CAM ON

Tôi xin gửi lời cam on đến giáo viên hướng dan TS Nguyễn Nhat Huy (giảng viên

Khoa Môi Trường và Tài Nguyên Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM) người đã

tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và động viên tôi trong quá trình thực hiện luận văn Xinchân thành cám ơn Thay/ Cô khoa bộ môn Kỹ thuật Môi trường đã truyền đạt cho tôinhững kiến thức quý báu Cám ơn sự hỗ trợ về học vụ nhiệt tình của các cán bộ phòngđào tạo sau đại học trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM Đồng thời tôi gởi lời cắm ơnđến cô Hoàng Thị Tuyết Nhung, các Thay/ Cô và các bạn sinh viên ngành Công nghệKỹ Thuật Môi Trường thuộc Khoa Công nghệ Hóa học va Thực phẩm _ Trường DaiHọc Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM đã tạo điều kiện thuận lợi và hỗ trợ tôi trong suốtquá trình thực hiện luận văn Và tôi muốn gởi lời biết ơn đến gia đình tôi, nơi cho tôimột chỗ dựa tinh thần vững chắc, nơi cho tôi những lời động viên và ủng hộ tích cựcđể tôi thực hiện ước mơ của mình

Xin chân thành cảm ơn tất cả những gì tốt đẹp mà mọi người đã làm cho tôi Chúc

cho mọi người sức khỏe và hạnh phúc.

TP Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2017

Học viên

Đoàn Thị Kim Quyên

TOM TAT LUAN VAN THAC SI

Phuong pháp khử trùng nước bang chất xúc tác quang ban dẫn Titan dioxit(TiO2) kết hợp với nguồn sáng mặt trời là một trong những phương pháp khử trùngđang được nhiều nghiên cứu thực hiện TiOz không những có hiệu quả diệt khuâncao mà sự phân hủy các chất hữu cơ có thể đạt đến mức vô cơ hóa hoàn toàn Tuynhiên, nhược điểm của TiOa là chỉ hoạt động trong vùng ánh sáng UV (bước sóngkhoảng 380 nm) Trong khi đó, lượng bức xạ UV của mặt trời là rất it chỉ chiếm 4%trong tong lượng bức xạ Do đó, khi biến tính bé mặt TiO2 bang bac kim loai sé morộng được vùng hap thu ánh sáng cho TiO; từ vùng UV đến vùng anh sáng nhìnthấy

Trong nghiên cứu này, các vật liệu xúc tác quang Ag-TiO2 (P25) và

Ag-TiO2-SiO được sử dung để đánh giá khả năng diệt khuẩn dưới điều kiện ánh sáng mặttrời Khả năng khử khuẩn này được đánh giá qua sự tiêu diệt vi khuẩn Escherichiacoli ATCC 25922 (E.coli) Các yêu tô ảnh hưởng đến hiệu quả diệt khuẩn của vật

liệu được xem xét trong nghiên cứu như: tỉ lệ Ag/P25, hàm lượng vật liệu

Ag-TiO2-SiOz, thay đôi nguồn chiếu sáng, lượng ion Ag phóng thích Kết quả diệt khuẩn chothay vật liệu Ag-TiO2-SiO2 có hiệu quả diệt khuẩn cao hơn Ag-P25 và TiO2 (P25).Vật liệu Ag-TiO2-SiO> tiêu diệt hoàn toàn vi khuẩn E.coli ở nồng độ 10° CFU/m khi

năng lượng UV tích lũy đạt từ 1,1 - 1,3 kJ/I sau 60 phút thí nghiệm Hàm lượng vat

liệu và pH thích hợp cho quá trình xúc tác quang lần lượt là 0,2 g/l và 6,6 - 7,0 Bêncạnh đó, phương trình động học khử khuẩn của vật liệu xúc tác quang được xâydựng dựa trên các yếu t6 ảnh hưởng đến quá trình khử trùng hoản toan phù hop vớimô hình Hom cải tiễn

Đặc tính cấu trúc vật liệu được xác định thông qua các phương pháp như hìnhthái bề mặt vật liệu, kích thước hạt, diện tích bề mặt riêng, pha cấu trúc tỉnh thể,

năng lượng miền cấm và trạng thái hóa học của vật liệu Kết quả cho thấy, kích

thước hạt vật liệu Ag-P25 là 25 nm, lớn hơn hat TiO (P25) ban dau là 21 nm Kíchthước hạt của Ag-TiOa-SiO; là 16,3 nm, nhỏ hơn khoảng 1,3 lần so với TiO2 (P25)và Ag-P25 Diện tích bề mặt riêng của Ag-TiO2-SiO> là 147,324 m2/ g cao gấp 2,8lần so với TiO2 (P25) và 6,7 lần so với Ag-P25 Bên cạnh đó, năng lượng miễn cấm

của Ag-P25 và Ag-TiO2-SiO2 giảm còn 3,0 eV so với P25 là 3,24 eV Cấu trúc điệntử của Ag trong vật liệu Ag-TiO2-SiO2 được xác định băng pho XPS cho thaynguyên tổ Ag tôn tại ở dang Ag? trong vật liệu Ag-TiO2-SiOo.

Vật liệu Ag-TiO2-SiO2 được phủ lên giá thé hạt kính dé đánh giá kha năng ứngdụng trong mô hình khử trùng dưới điều kiện ánh sáng mặt trời Mô hình khử trùng

có máng parabol trụ có khả năng tiêu diệt hoàn toàn 6-log CFU/ml E.coli ATCC

25922 trong vòng 6 phút lưu nước và cường độ bức xạ UV trên 15 W/mZ Khi sửdụng mô hình này dé khử trùng nguồn nước giếng có nồng độ vi khuẩn dao động từ15 -168 Coliform CFU/ 100 ml thi can cường độ bức xạ UV cao hơn 20 W/m? vathời gian lưu nước 6 phút dé loại bỏ toàn bộ vi khuẩn Nhưng khi máng parabol trụđược thay thế băng máng parabol ghép đôi thì hiệu quả diệt khuẩn tăng lên đáng kẻ.Chỉ với cường độ UV trên 15 W/m? và thời gian lưu nước 5 phút thì mô hình khửtrùng có máng parabol ghép đôi đã tiêu diệt hoàn toàn vi khuẩn trong nước giếng(40-120 Coliform CFU/ 100 ml) Vì vậy, các kết quả trên cho thấy một ứng dụngtiềm năng của lớp phim mỏng Ag-TiO2-SiO2 kết hop máng parapol ghép đôi trongviệc khử trùng nước nhanh chóng và không tốn kém chỉ phí năng lượng

Water disinfection with TiO2 solar photocatalysis has grown in last decade.TiO2 not only has a high bactericidal efficiency but also the decomposition oforganic substances can be reached completely inorganic However, the drawbackof TiO2 is only active in the UV light (wavelengths around 380 nm) Whereas theamount of UV radiation of the sun is very small, only 4% of the total radiation.Therefore, surface modification of TiO2 with metallic silver lead to expansion forthe absorption of light for T1O2 from UV region to the visible light So the effectivedisinfection will increase significantly.

In this work, TiQ2-based nanomaterials were prepared to determine theirdisinfection efficiency under solar irradiations The antibacterial activity ofnanomaterials was evaluated by photocatalytic didinfection against Escherichia colibacteria (ATCC®25922) The effects of Ag/P25 ratio of loading, light condition,material content and silver ion release were studied and discussed In addition, themodified Hom model well fitted with the data of the evaluation of the influence ofthe disinfection process The influence of material properties on disinfectionefficiency was determined by methods such as surface morphology, particle size,specific surface area, crystal structure phase, band gap energy and chemical state ofthe material The band gap of TiOz can be reduced by dopping silver into TiO2 tomatch the energy value of visible light The mean crystalline size of the Ag-TiO2-SiO2 was calculated 11.35 nm BET specific surface area of gel-derived Ag-TiO2-

SiO» was 147.3 m’g and decreased to 114,1 m?/g which the increase of Ag content.

XPS results indicated that Ag nanoparticles deposited on TiOz was of metallicsilver.

Ag-TiO2-SiO2 thin film coated on glass beads was used as disinfectionphotocatalyst under solar irradiation The photocatalyst was used in a continuous-flow lab-scale reactor combining parabolic trough to disinfect E.coli ATCC 25922in water It was found that the bactericidal activity of this system using the Ag-Ti02-SiO2 photoatalyst under light irradiation was superior to those using lightirradiation alone By using Ag-TiO2-SiO:2 thin film, the above reactor was observed

to remove 6-log of E.coli under irradiation intensity over 15 W/m? with the

hydraulic retention time of 6 minutes The reactor was also operated withgroundwater containing 15 — 168 Coliform CFU/ 100ml and completely destroy

bacteria with the hydraulic retention time of 6 min and irradiation intensity over 20

W/m’ There was a significatnly increses about bactericidal efficiency when

parabolic trough was replaced by compound parabolic The result showed that the

irradiation intensity of 15 W/m? and hydraulic retention time of 5 minutes, the

model with compound parabolic completely destroyed bacteria in groundwater 120 Coliform CFU/ 100ml) Overall, we can see that a potential application of thisphotocatalyst by Ag-TiO2-SiO2 thin film combining compound parabolic in anenergy-saving technology for water disinfection.

(40-LOI CAM DOAN

Tôi tên: DOAN THI KIM QUYEN

Sinh ngay 02 thang 10 nam 1992

Qué quan: Tién Giang

Hiện công tac tại: Trường Dai Học Su Pham Kỹ Thuật TP.HCM

Là học viên cao học khóa 2015 của Trường DH Bach Khoa TP.Hồ Chí Minh

Tôi cam đoan: Đề tài “Nghiên cứu mô hình pilot khử trùng nước giếngbăng vật liệu Ag-TiO›-SiO; kết hop ánh sáng mặt trời” là công trình nghiên

cứu của tôi, các kết quả nghiên cứu có tính độc lập riêng, không sao chép bất kỳ tàiliệu nào Các số liệu trong luận văn được sử dụng trung thực, nguồn trích dẫn có chúthích rõ ràng, minh bạch, có tính kế thừa, phát triển từ các tải liệu, tạp chí, các côngtrình nghiên cứu đã được công bố, các website Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

về loi cam đoan danh dự của tối.

TP HCM, tháng 07 năm 2017

Học viên thực hiện

Đoàn Thị Kim Quyên

MUC LUCLOL CAM 0900 iTOM TAT LUẬN VĂN THAC SĨ -:- 52 2222222211221122212211 2112211212111 ree Hi

ABSTRRACTT c1 211112111 2111111 1121111111 81111111 811 H1 1E K TH KH k HH KH kg E11 Hxkp V

LOI CAM DOAN 8 vii

MỤC LỤC 2 0 220112111221 1111 1111211111 11111 1111111111111 H1 E11 HT k HH Hy ch Vill

DANH MỤC BẢNG 0: 512212221 221122121112111221121111211 211101 xiDANH MỤC HÌNH 52- 22-222 2212221222122712221211271211221121121122121.121 re xiiDANH MỤC TU VIET TẮTT 22-22222222 22E2221222112711271127112712712712212 c1 cv xiv95I09))6110i055 0000 n4 |1.1 _ Tính cấp thiết của để tài 5 St Tt v13 EEEE11 11 11T 11111 Er Hường l

1.2 Mục tiêu nghiÊn CỨU - 22 E1 2222201112221 1111555111111 n E01 111g 1kg rec 2

1.3 Di tượng và phạm vi nghiên CỨU -c S11 2111 3 371111211111 EEEEEETEEEErererrreo 21.3.1 Đối tượng nghiên cỨU se E131 SE EEEEEEEEEEE2E5E 1 EEEEEEEETE TT TT Hường 2

II gi(0000 206/12/0) 02(000)45aịỤŨŨ 2I X0) 0 4( i3 2

1.5 _ Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của dé tài -:c c2 St2x SE E21 tEerrrrerrrerree 31.5.1 Ý nghĩa khoa hoc oc ccecccccsccesesscsesesesscsececsvsveecevsvssecevsnsesecsvsvsusevsvsesecevsnssaveveseveveveneess 31.5.2 Ý nghĩa thực tiễn - 5c tt SE Ex 115512111 11E2111 112155 EEETEEEEEETE Hee 31.6 _ Tính mới của để tài :-5:: 5x22 221 22112211221121112111211211121 re 395i0/9)I6520)9)I619)07.)01 4

2.1 Vinh là cuiiiiddidaddidid 42.1.1 Những tác nhân sinh hoc gây bệnh trong nước ngầm - se ctzxsecrrree 42.1.2 Tiêu chuẩn về ô nhiễm vi sinh vật trong nước uống +: scs+zszvzezzszxzezxrzee 42.1.3 Phương pháp khử trùng nước - - - - c1 32222111111 132531 1111555811111 1158 111kg ky 5

2.2 Chat xúc tác quang Titan dioxit (Ti02) c.cccccceccccsssescscsesesesesesscevscsvsnsessecevevsvaee II2.2.1 Câu trúc pha tinh thé và tính chat của T1O2 - - s22 EEEEE2E2EEEEEEEEEErrkersree 11

2.2.2 Cơ chế hình thành gốc tự do hydroxyl (OH*) - ccSc 2t 2xx £EtEEEeErrkersree 12

2.2.3 Cơ chế diệt khuẩn của vật liệu T1O2 :-55:52: 52t 22x22E2E1221EE2E.Ekrrree 14

2.3 Phương trình động học khử khuẩn + St SEEEEEEEEEEEEESEEEEEEEEEEEEskskererrreeo 152.3.1 M6 hình Hom - c2 1 20112221 113111 111111115111 151 1111111112 1119111 E11 1E k1 kg 152.3.2 Mô hình Rational - - c1 1c 1211011010311 1 1113511111151 1 11111 5111k 1t c1 TK kh TT TT cờ 16

2.3.3 Mơ hình Hom-powel 0 cccccccccccsccccccesseeeeecessseeeceeccsseeeeecesseeeeecsstaeeeesentsueeeees 162.4 Tình hình nghiên cứu hiệu qua diệt khuẩn của vật liệu TiO2 c.scscz se: 17

2.5 Hiệu quả diệt khuẩn của Ag-TiO› dưới điều kiện ánh sáng mặt trời 192.6 Khirtring nước băng vật liệu xúc tác quang đưới điều kiện ánh sáng mặt trời 21CHUONG 3: VAT LIEU VÀ PHƯƠNG PHAPNGHIEN CỨU - -2 5- 233.1 Phương pháp chuẩn bị vat LGU ceecccecccccscscsesecececsvscsvsesecececevscsvseseensesececevevseses 233.1.1 Chuan bị vật liệu Ag-P25 bang phương pháp tam oo cecccccccescesesesestsesesesereeseeee 233.1.2 Chuan bị vật liệu Ag-TiO2-SiO2 bằng phương pháp sol-gel scccccccec: 24

3.1.3 Chế tạo lớp phim mỏng Ag-TiOa-SiO¿ phủ lên hạt kính 52 2- +cccszszx+2 263.2 _ Phương pháp xác định đặc tính câu trúc vật liệu - + + 2s Sa St Sex Sex tre srcerseg 283.3 Phương pháp phân tích vi sinh - - c + 32 3113113333111 1 133385111 1585111 ra 28

3.3.1 Chuẩn bị sinh khơi #.coli -:-55:25+22x2Ex22212211122112112E121 2 28

3.3.2 Phương pháp phân tích #2 ŒỌï - 5-2 E133 3322311 111335811111 13581 1111115821111 ng gk 283.4 Phuong pháp nghiên cứu mơ hình 2 233222221111 123322EE SE Ekkeeeserska 293.4.1 Mơ hình từng mỏ - - - 2 22210111122 2111111 5221111115551 11 119g 1kg xu 293.4.2 Mơ hình dịng chảy liên tỤC - c2 122 222211111112531 1111115811111 1H vn ngu 293.5 Phuong pháp thí nghiệm và phân tích - - - c5 2 2222111112322 EEEkressersks 333.5.1 Thi nghiệm với mơ hình từng mẻ 2 2322222211111 23 222111 1E krerserks 333.5.2 Thí nghiệm với mơ hình khử trùng cĩ máng parabol trụ -<<: 343.5.3 Thí nghiệm với mơ hình khử trùng cĩ máng parabol ghép đơi 35

3.6 Phương pháp lây mẫu nước giẾng + + +sSt St E3 2111511155 1 TT EEeEtrrerrre 35

3.7 _ Phương pháp kiểm sốt nơng độ E.coli ATCC 25922 đầu vào c-ccsc, 363.8 Phuong pháp định lượng bức xạ UV thiên nhiên - 55555 225<<<+<<++sss2 36Si áo 0i 6 37

CHƯƠNG 4: KẾT QUÁ VÀ THẢO LUẬN - c2: c 121 1112111112115 Etrrrn 38

4.1 Phan tích vật liệu dạng bột - 22122 222231111123531 11111158 11111 1n 1 vn 384.2 _ Phân tích lớp phim mỏng - - - 2 221111122 23111111 3238 1111111855111 1155511111 cnrưky 42

4.3 Kết quả diệt khuẩn của mơ hình từng M6 - +: s s2 SE EEEE2ESEEEEEEErEkrsrkersree 454.3.1 Ảnh hưởng của tỷ lệ Ag/P25 -.- c tct cv 3E 1111111151 1121111111111 E1EEETTEErtrreh 454.3.2 Anh hưởng của vật liệu xúc tác quang - :sscx tt v E21 SEEEEEEEEErEskertrerrree 46

4.3.3 Anh hưởng của hàm lượng vật liệu xúc tác quang -s+ccxvcvztEsrErxsxrrerrrees 474.3.4.Ảnh hưởng của nguồn chiêu sáng khác nhau 5-52 S‡E‡ES2E2E£EE2EEEEErxek 48

4.4.1 Khao sát lượng Ag phóng thích từ lớp phim mỏng - 5 225<<<<+<<++sss2 514.4.2 Khử trùng với nguồn nước giả lap E.coli ATCC 25922 - se cv xxx 53

4.4.3 Khử trùng với nguồn nước giẾng sec v13 2111115151 11T TT trrerri 564.5 _ Kết quả diệt khuẩn nguồn nước giéng của mô hình có máng parabol ghép đôi 58

4.5.1 Ảnh hưởng của thời gian lưu nước và cường độ bức xXạ - 7s sccsxsxcxerrrec: 584.5.2 Hiệu quả theo thời gian của lớp phim mỏng - - 5+5 s22 ++++<s+++eeeeeeeeses 61

CHUONG 5: KẾT LUẬN VÀ KIÊN NGHỊ, 552 2252222221221 63"nh na Ũ 635.2 Kiém neh ccc ceecccccccscsesecesesececevscevsescucecevscsvsescusecavacsvsvsvsusacavevsvevsvsusasavevevevevavsvsnseveceeees 63DANH MỤC CÁC CÔNG TRINH KHOA HOC 1.0 cssecssstesseessesseesteestessseseeetessneeetensies xiiiTÀI LIEU THAM KHẢO 25: 252222 22122212211221122 1271211121121 21121 re xivPHU LUC 1: THIET BỊ 2-22 222222222EE2EE22EE22EE27122112211271271E27112711271211 2.1 ee XXPHU LUC 2: PHƯƠNG PHAP CHUAN BỊ SINH KHÔI E.COLI ATCC 25922 xxiiPHU LUC 3: PHUONG PHAP KIEM TRA NONG DO SINH KHOI VI KHUAN E.coli(ATCC 25922) - PHƯƠNG PHAP TRAI DIA (THEO TCVN 9716:2013 — ISO

DANH MỤC BANG

Bang 2.1 Ưu nhược điểm của các phương pháp khử trùng hiện nay 5S 2121 cE tt errren 6Bảng 2.2 Một số tính chất vật lý của T1O2 dang anantase và rutfiÌe -. cccccccccccsa 12Bang 3.1 Hĩa chất cho thí nghiệm chuẩn bị vật liệu Ag-TiOa-S1O2 5c c2 E221 teen 25Bảng 3.2 Các thơng số kỹ thuật của mơ hình khử trùng với máng thu parabol trụ và parabol ghép

GOD eeccceeceecceccecescesscesscesseecsecescesseeesececeseeeseeceecseeeseecseesseeeeecaeeessesseecseeessetaeecseenseesseecseeseeeseenees 32

Bang 4.1: Khối lượng vật liệu Ag-TiO2-SiO» bám trên 1 ml hạt kính - 252cc 44Bang 4.2 Hệ số động học trong các mơ hình lý thuyết sử dung cho quá trình khử khuẩn E.coli bang

vật liệu xúc tác quang Aø-T1Os-S1Ư2 2 L1 011122111 11211112211 112111111 11110011111 11111 1k1 kg vết 51

Bang 4.3 Bảng các thơng số liên quan đến vận tốc nước chảy trong 60.0 ccc cece eeeseeeeeeeeeeeeee 52

DANH MUC HINH

Hình 2.1 Cac dạng thù hình của TiO2 [14] 22222322222 11111222222EEEEsereeeeeeeeses IIHình 2.3 Giản đồ năng lượng orbitan liên kết của TiO? trong anafase 5: 13Hình 3.1 Quy trình chuẩn bị vật liệu Ag-P25 ooo cecccccecesecscecsesesesecscevscsvsnsesesecevenseaee 23Hình 3.2 Quy trình chuẩn bị vật liệu Ag-TiO2-SiO2 2c SE E1 2121111121 x6 24Hình 3.3 Quy trình làm ra hạt kính cường lực có kích thước 0,4-0,9 mm 26Hình 3.4 Quy trình tao lớp phim mỏng Ag-T102-SiO> lên hạt kính - - - - 27Hình 3.5 Mô hình thí nghiệm hiệu quả diệt khuẩn E.coli cho vật liệu dạng bột 29Hình 3.6 Cách thu năng lượng mặt trời của mang parabol trụ - -. : -++++s+ 30Hình 3.7 Mô tả chỉ tiết thiết bi phan ứng gồm máng parabol trụ và ông phản ứng 31Hình 3.8 Cách thu năng lượng mặt trời của mang parabol ghép đôi 32Hình 3.9 Mô hình khử trùng với máng parabol ghép đÔi -++<5<ccc++sss2 33Hình 3.10 Mối quan hệ giữa mật độ quang học và nồng độ E.coli ATCC 25922 36Hình 4.1 Mẫu chụp TEM của P25(a), 1% Ag-P25 (b) và 1% Ag-TiO2-SiO: (c) 38Hình 4.2 Phố XRD của vật liệu 1% Ag-P25 và 1% Ag-TiOa-SiO2 7c cccccecereec 39Hình 4.3 Phố XRD của vật liệu 1% Ag-TiOa-S1O2 c2 gtruưg 40

Hình 4.4 Phổ UV-Vis của các mẫu vật liệu -::- 52:25 221221221222 trree 4I

Hình 4.5 Phé XPS của Ag trong vật liệu 1⁄2Ag-TiOa-SiO2 - -c- nh ngư 42Hình 4.6 Hạt kính trước (a) và sau (b) khi phủ vật liệu Ag-T1O2-S1O› 43Hình 4.7 Ảnh chụp SEM bé mặt mẫu kính chưa phủ ở các mức phóng dai 5k (a), 15k (b)

Hình 4.8 Ảnh chụp SEM bề mặt kính phủ vật liệu Ag-TiO2-SiO2, ở độ phóng đại 15k(a),“0 (1b), 30K t0 nnênD 43Hình 4.9 Phố EDS của lớp phim mỏng Ag-TiOa-S¡Oa phủ lên hạt kính 44Hình 4.10 Ảnh hưởng của tỳ lệ % Ag/P25đến hiệu quả diét khuẩn sec: 45Hinh4.11 So sánh hiệu quả diệt khuẩn vật liệu Ag-P25 và Ag-TiOa-SiO¿ 46Hình 4.12.Anh hưởng của ham lượng vật liệu Ag-TiO2-SiO2 sec rxsxrrerrre 47Hình 4.13 Ảnh hưởng của nguồn chiếu sáng đến hiệu quả diệt khuẩn của“ÿ i99 2 49Hình 4.14 Mô hình động học khử khuẩn lý thuyết và thực nghiệm của vật liệu Ag-TiO¿-

SiO» đối với quá trình khử khuẩn E.coli (ATCC 25922) dưới điều kiện ánh sáng mặt trời 5

Hình 4.15 Ảnh hưởng của vận tốc nước chảy đến sự phóng thích Ag 5s 53

Hình 4.16 Ảnh hưởng của thời gian lưu nước đến hiệu qua diệt khuẩn E.coli ((mô hìnhMANG PArabol try) 077 54Hình 4.17 Ảnh hưởng của năng lượng bức xạ đến hiệu qua diệt khuân E.coli ATCC 25922(m6 hinh mang parabol tru) 77 a 4 55Hình 4.18 Ảnh hưởng của pH trong nước dau vào đến hiệu quả khử khuẩn E.coli ATCC25922 (mô hình mang parabol tru) - - + - 21133 12223111113333 1111113581111 1 11811 kg ky 55Hình 4.19 Ảnh hưởng của thời gian lưu nước và cường độ bức xạ UV 5-20 W/m’ (a) vàtrên 20 W/m? (b) đến hiệu quả khử trùng nước giếng (mô hình máng parabol trụ) 57

Hình 4.20 Hiệu quả diệt khuẩn theo thời gian của lớp phim mỏng (mô hình khử trùng

MANG PArabol try) 077 58Hình 4.21 Ảnh hưởng của thời gian lưu nước và cường độ bức xạ UV 5-15 W/m? (a) và

trên 15 W/m? (b) đến hiệu quả khử trùng nước giếng (mô hình máng parabol ghép đôi) 60

Hình 4.22 Hiệu quả diệt khuẩn theo thời gian của lớp phim mỏng (mô hình khử trùngmáng parabol ghép dO1) - - - - E1 2211122232211 111 5253111111551 1 111g vn ng 61

DANH MỤC TU VIET TAT

viét tat Tiéng Anh Tiéng ViétAND Deoxyribonucleic Acid AND

AOPs Advanced oxidation processes Qua trình oxy hóa bậc cao

BET Brunauer—-Emmett—Teller Dién tich bé matCFU Colony-forming unit Số đơn vi khuẩn lạc

Sản phâm trung gian của quá trình

DBPs Disinfection byproducts khử trùng

Phân tích kích thước hạt dựa trênDLS Dynamic light scattering nguyên ly tan xa anh sang động họcE.coli Eschocia coli Eschocia coli

e-CB Electron (conduction bands) Electron quang sinh

Energy-dispersive X-rayEDX spectroscopy Phô tán xa nang lượng tia X

Fourier transform infrared ¬ ¬FI-IR spectroscopy Quang phô hông ngoại chuyên đôi

h+VB Hole (valence bands) Lỗ tréng quang sinh

HAAs Haloacetic acids

HRT hydraulic retention time Thời gian lưu nước

Inductive Coupled Plasma-OpticalICPOES Emission Spectroscopy May quang phô phat xa nguyên tử

MT Ảnh sáng mặt trời

P25 Degussa P25PH zp pH Zero point of charge pH điểm điện tích băng khôngSEM Scanning Electron Microscope Kính hiển vi điện tử quétTEM Transmission electron microscopy Kính hién vi điện tử truyền quaTEOS Tetraethyl orthosilicate

THMs TrihalomethaneTTIP Tetra Isopropyl TitanateUV Ultraviolet radiation Tia cuc timUVA Ultraviolet radiation A Tia cuc tim AUVC Ultraviolet radiation C Tia cuc tim C

UV-Vis Ultraviolet-visible spectroscopy Phuong phap pho tir ngoai va kha kién

UV-vis Diffuse reflectance UV-vis DRS spectroscopy Pho phản xa khuyéch tán

WHO World Health Organization Tổ chức y tế thé giớiXPS X-ray Photoelectron Spectroscopy Phổ kế quang điện tử tia X

XRD X-Ray Diffractometer Phương pháp nhiễu xa tia X

1.1 Tinh cấp thiết của dé tàiNguồn nước uống sạch - an toàn đang là ưu tiên hàng đầu ở các quốc gia đangphát triển và hiện nay có khoảng 6,5 triệu người trên thế giới không tiếp cận đượcnguôn nước sạch Tại nhiều nơi nguồn nước ngầm bị nhiễm vi rút, vi khuân và kysinh trùng đang ở mức báo động Do đó, khử trùng nước để loại bỏ các thành phầnvi sinh vật gây bệnh là một vấn đề cần thiết Tuy nhiên, các biện pháp khử trùngđang áp dụng vẫn còn tổn tại các hạn chế như khử khùng bang phương pháp dunnước, SODIS Các phương pháo này dễ thực hiện, rẻ tiền nhưng không loại bỏ đượchoản toàn các vi sinh vật gây hại và dễ dàng tái nhiễm nếu không sử dụng ngay saukhi xử lý; khử trùng bang tia cực tím (UV) hay mang RO loại bỏ hầu hết các vi sinhvat gây bệnh nhưng chi phí về năng lượng, vận hành va bao trì khá cao; hay khửtrùng bằng Chlorine, phương pháp này vừa rẻ tiền vừa có hiệu quả diệt khuẩn cao,nhưng trong quá trình khử trùng bang Chlorine lại tạo ra các hop chất trung giannhư Trihalomethanes (THMs) có khả năng gây ung thu ảnh hưởng đến sức khỏengười sử dụng nguồn nước Với những khuyết điểm của các biện pháp khử trùng

vừa nêu đòi hỏi một biện pháp khử trùng mới vừa hiệu quả vừa an toàn Những

nghiên cứu gần đây cho thấy quá trình quang xúc tác bán dẫn cho hiệu quả diệtkhuẩn cao Đồng thời các chất xúc tác này không độc và rẻ tiền Trong số các chấtxúc tác quang thì Titan dioxit (TiO2) - một chất xúc tác quang nhận được nhiều sự

quan tâm trong lĩnh vực khử trùng nước Bởi vì, TiOz không những có khả năng

diệt khuẩn ma còn phân hủy hoan toàn các tế bào thành CO2 và HaO Tuy nhiên,TiO2 chỉ hoạt động trong vùng ánh sáng UV bước sóng ngăn và điều này gây tiêuhao năng lượng Vì vậy “Nghiên cứu mô hình pilot khử trùng nước giếng bằngvật liệu Ag-TiO›-SiO; kết hợp ánh sáng mặt trời? nhằm khắc phục những nhượcđiểm của TiOz băng việc biến tính bề mặt TiO2 với kim loại bạc dẫn đến mở rộngvùng ánh sáng hoạt động cho TiOz từ vùng UV đến vùng VIS (vùng ánh sáng khảkiến Visible) Hơn nữa, mô hình khử trùng nước giếng bang vật liệu Ag-TiO›-SiO;sẽ tận dụng được nguồn UV tự nhiên từ nguồn sáng mặt trời vừa hiệu quả vừa tiết

kiệm chi phí năng lượng.

SiO; lên hạt kính để tiêu diệt hoàn toan vi khuẩn Coliform trong nước giếng dưới

điêu kiện ánh sáng mặt trời1.3.

Nguồn ánh sáng mặt trời từ 9 giờ đến 14 giờ

Nội dung nghiên cứu

Chuan bi vật liệu Ag-TiO2(P25) từ AgNO3 và Degussa P25 bằng phươngpháp tâm

Chuẩn bị vật liệu Ag-TiO2-SiO2 từ AgNO3 và Tera isopropyl tiatnate (TTIP)băng phương pháp sol-gel và phủ lớp phim mỏng lên hạt kính có kích thước

từ 0.45 mm — 0.9 mm

Đánh giá đặc tính cau trúc vật liệu: kích thước hạt, diện tích bề mặt riêng,đặc điểm bé mặt, thành phan cau tric pha tinh thé, nang luong vung cắm, sựton tại của Ag trong vật liệu

Mô hình từng mẻ: Thí nghiệm các yếu tô ảnh hưởng đến hiệu quả diệt khuẩncủa vật liệu dạng bột đối với nguồn nước giả lập E.coli ATCC 25922 dướiánh sáng mặt trời Bao gồm các yếu tố ảnh hưởng: tỷ lệ % Ag/P25, hàmlượng vật liệu, các chất xúc tác quang khác nhau và các nguồn chiều sáng

khác nhauMô hình dòng chảy liên tục:

hưởng của cường độ bức xa, ảnh hưởng của pH và hiệu quả diệt khuẩn theo thời

gian.

+ Thí nghiệm các yếu tố ảnh hưởng đến mô hình khử trùng có máng parabol

ghép đôi: ảnh hưởng của thời gian lưu nước, ảnh hưởng của cường độ bức xạ và

hiệu quả diệt khuẩn theo thời gian.1.5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài1.5.1 Y nghĩa khoa học

- Khảo sát được các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả diệt khuẩn của vật liệudưới điều kiện ánh sáng mặt trời như nông độ chất xúc tac, ty lệ %Ag/TiO; (P25),năng lượng UV tích lũy đến hiệu quả diệt khuẩn

- Lớp phim mỏng Ag-TiOz-SiO; tiêu diệt hoàn toàn vi khuẩn E.coli ATCC25922 trong thời gian lưu nước là 6 phút Bên cạnh đó, mô hình khử trùng kết hợpmáng parabol ghép đôi diệt khuẩn hoàn toàn vi khuẩn Coliform có trong nước giếng1.5.2 Y nghĩa thực tiễn

Phát triển thiết bị khử trùng sử dụng năng lượng mặt trời không gây tiêu tốnđiện năng và góp phần bảo vệ môi trường

1.6 Tinh mới của dé tàiHạt kính phủ lớp phim mỏng Ag-TiO2-SiO2 có khả năng diệt khuẩn cao dưới

anh sáng mặt trời Bên cạnh đó, lớp phim mỏng chưa gây ra sự phóng thích Ag vàomỗi trường nước.

Trong điều kiện bóng tối, vật liệu Ag-TiO2-SiO2 có khả năng tiêu diệt vi khuẩnE.coli Kết qua này chứng tỏ vi khuẩn bị giết là do tác dung của vật liệu xúc tác

quang, không phải do Ag đi vào trong nước.

2.1 Khu trùng nước

2.1.1 Những tác nhân sinh học gây bệnh trong nước ngầmNước ngầm được xem là nguồn nước sạch và không bị ô nhiễm vi sinh vật Tuynhiên, sự gia tăng dân số ở các đô thị và thành phố lớn dẫn đến việc khai thác nướcngâm quá mức mà không có biện pháp bảo vệ nguồn nước đã gây ra tình trạng suy

thoái và đặc biệt là sự ô nhiễm vi sinh vật trong nước ngâm Điều này đang làm ảnh

hưởng rất lớn đến lượng cuộc sống của người dân.Các nghiên cứu gần đây cho thay [1], các vụ bùng phát bệnh dịch truyền nhiễmdo sử dụng nguồn nước ngầm bi ô nhiễm vi sinh như Salmonella, E.coli, S.faecalis Khi sử dụng nguồn nước bị nhiễm ban các vi sinh vật này có thé gây ra

các bệnh nguy hiểm đến tính mạng người dùng như ly, thương hàn, tiêu chảy cấptính và viêm dạ dày ruột Trong số các vi khuẩn gây bệnh thi E.coli một loại vikhuẩn thường được phát hiện trong nước ngầm bi ô nhiễm Đồng thời, E.coli cũnglà tác nhân gây ra các căn bệnh liên quan về đường ruột Vi vay E.coli được xem làvi sinh vật chỉ thi cho nguồn nước bị ô nhiễm vi sinh

2.1.2 Tiêu chuẩn về ô nhiễm vỉ sinh vật trong nước uốngTổ chức y tế thế giới (WHO) đưa ra những hướng dẫn cho các quốc gia về chất

lượng nước uống Trong đó yêu cầu vi khuẩn E.coli là sinh vật chỉ thị và bắt buột

không có sự tồn tại của vi sinh vật này trong nước uống Ngoài ra, WHO cũng quyđịnh trong nhiều trường hợp Coliform chịu nhiệt có thé được sử dụng thay cho việckiểm tra E.coli Việc kiểm tra vi sinh vật nay được tính đến sự tổn tại trong 100 mlmẫu nước [2] Tiêu chuẩn Việt Nam đối voi chất lượng nước sinh hoạt (QCVN02:2009/BYT) không dùng để ăn uống hoặc chế biến thực phẩm tại các cơ sở chếbiến thực phẩm quy định nồng độ Coliform tổng số có trong 100 ml không quá 50,còn đối với Coliform chịu nhiệt hoặc E.coli thì không được phép tôn tại Đối vớinước uống đóng chai (TCVN 6 — 1 - 2010) thì yêu cầu kiểm tra không có Coliformchịu nhiệu hoặc E.coli trong 250 ml nước; <2 Coliform tong số, Streptococci faecal,

Pseudomonas aeruginosa.

pháp ly học ( tia UV, sóng siêu âm), phương pháp hóa học ( chlorine, ozone),phương pháp lọc màng RO, phương pháp sử dụng ánh sáng mặt trời Những công

nghệ khử trùng nước hiện nay có nhiều ưu điểm nhưng cũng song song nhiềukhuyết điểm (trình bay ở Bang 2.1) Do đó, khử trùng nước đòi hỏi một công nghệ

mới vừa hiệu quả vừa an toàn Một trong những công nghệ khử trùng mới đang

được nghiên cứu và áp dụng trong thé ky này chính là công nghệ khử trùng bangchất xúc tác quang hóa Nhiều nghiên cứu đã đề cập đến quá trình diệt khuẩn băngcách sử dụng chất xúc tác quang Titan dioxit (TiOz) [3]-[5] Khả năng diệt khuẩncủa hợp chất TiO2 được trình bày lần đầu tiên được Matsunaga trình bày vao năm1985 [6] Kế từ đó, có nhiều nghiên cứu khoa học chứng minh hiệu quả diệt khuẩncủa TiO2 với các loại vi khuẩn khác nhau TiOz không những có kha năng tiêu diệttế bào vi sinh vật mà còn phân hủy hoan toản các tế bao này thành CO; và H;O, lànhững hợp chất an toàn với sức khỏe người dùng Kết quả từ những nghiên cứu này

đã mở ra một hướng đi mới cho quá trình khử trùng nước hiện nay.

Phương 3 +

pháp Tác nhân Ưu diém Nhược diém

Chlorine (khí Cl, | -Giá thành tương đôi thấp, được sử dụng rộng rãi - Tạo ra các sản phâm trung gian của quáCa(OCl)2, và | nhất trên thé giới trình khử trùng (DBPs): Chloro-organics

NaOCl) [7] and

trihalomethane (THMs) - Chi phan hủy men

té bao- Có thé làm thay đổi mùi, vị [8]Chloramine - It tạo ra DBPs - Khả năng diệt trùng của dichloramine thap(NH>Cl, NHCh, | - Dichloramine tồn tại trong nước lâu hơn so với hơn chlorine từ 20 — 25 lần

Hoá chat |NCH) [9] chlorine tự do hay ClO2 nên lượng du chloramine - Chloramine phải được điều chế tại chỗ

trong nước bên hơn

- Gia thành rẻ

Ozone - có khả năng phân hủy cả men tê bao lẫn nguyên - Chi phí đầu tư và năng lượng cao

[8], [10] sinh chat của tế bao vi sinh vật

- Thời gian tác dụng nhanh

- Hiệu quả khử trùng cao với các loại vi khuẩn,

virus- Ozone dé sản xuất.

- Khả năng khuếch tan trong nước thập- Không tạo được lượng lâu trong nước -Tao ra DBP nhưng it hon Chlorine

- It tao ra các sản phẩm trung gian của quá trình khử

trùng như chlorineKMnO, - Có kha năng oxi hóa Fe va Mn - Quá trình khử trùng băng KMnO¿ đòi hỏi

[10] - Khử mùi và vị của nước gây ra bởi các hợp chất thời gian tiếp xúc lâu

hữu cơ - Khử trùng bằng KMnOx làm nước có màu- Dễ dàng trong việc vận chuyền, cất giữ và phân hồng nhạt

phối - KMnO¿ là hợp chất có độc tính

- Có kha năng kiểm soát sự hình thành của DBPs

Bromine - Đơn giản - Tao được dư lượng trong nước như -Không được sử dụng phô biên như

[8] Chlorine Chlorine vi không sử dung như Chlorine

-Dat tiền hon ChlorineHoá chat - Tao DBP

Bac - Đơn giản, hiệu qua - Khó kiêm soát nông độ Ag trong nước[8] - Không tạo thành các hợp chat trung gian của qua

trình khử trùng (DBPs)

- Đặt tiền

Dun sôi nước đến | - Đơn giản, dễ thực hiện - Tiêu hao năng lượng lớn, chỉ thích hợp với100°C - Vi sinh vat trong nước thé bi diét hoan toan néu quy mô nhỏ

Nhiệt [11] đun nước du lâu -Không có hiệu quả với những vi sinh vật có

- Có thé loại bỏ một số chất hữu co dé bay hơi trong | khả năng hình thành bào tử khi nhiệt độ

nước nước tăng cao

Bước sóng từ 240 | - Không sử dung hoa chat - Chi phí vận hành cao do nhu câu sử dụng

— 280 nm - Không tạo thành các hop chat trung gian của quá | điện dé duy trì hoạt động của bơm và bóngTia UV [8] trình khử tring (DBPs) - hiệu qua khử trùng vi đèn

khuẩn và virus với thời gian tiếp xuc ngăn - Mọi cản trở tia UV tiếp cận với vi sinh vật

đều làm giảm hiệu quả khử trùngdòng siêu âm có | - Khử trùng băng siêu âm là phương pháp khử trùng | - Chi phí vận hành cao, tôn kém

Sóng siêu cường độ > 2 | triệt để và mang lại hiệu quả cao - Không thích hợp cho việc khử trùng nước

âm W/cm? với dung tích lớn

Lọc cát chậm - Cực kỳ đơn giản, không cân người vận hành - Phải được thiết kê và xây dựng đúng: nhiệt

[12] - Loại bỏ độ đục trong nước khi khử trùng- Khong | độ nước thích hợp, lưu lượng, vận tốc

chảy-Lọc biến đi tính chất của các loại chat hữu cơ trong Không có nước sạch nhanh chóng - Không

nước Không sinh BBP- Không cần năng lượngđiện

tạo được dư lượng lâu trong nước

Lọc Micro, Ultra, | - Cung cap chat lượng nước tốt - Hệ thông phức tạp, vận hành và duy trìNano và RO - Không biến đổi tính chat của các loại chất hữu cơ | phức tap

[12] trong nước Không sinh DBPs - Cần năng lượng điện

SODIS (Nhiệt + | - Đơn giản, rẻ tiên - Không biên đôi tính chat của | - Phải phơi nang nhiêu giờ, thậm chí có thé

UV) các loại chất hữu cơ trong nước 2 ngày nếu trời có nhiều mây - Giới hạn thé

Mặt trời [12] - Không sinh BBP tích chai chứa (1-1,5 lit) - Không có hoa

chất dư dé dam bảo nước vô trùng - Một số

loại virus không diệt đượcLọc micro - Loại bỏ được nhiêu vi khuân, vi rút - Gia thành cao

Màng lọc | Loc ultra - _ Có thé loại bỏ được những chat 6 nhiễm khác có |- Dễ tắc nghẽn

Lọc nano kích thước nhỏ, dạng vẾt,

Tác nhân Ưu điểm Nhược điểm

Tham thâu ngược

(RO)

Có thể loại bỏ hâu hết các chât ô nhiễm trongnước như arsenic, nitrates, natri, đông và kẽm,những hoa chat hữu co, fluoride va hau hét các

vi khuẩn, virut gây hại

Loại bỏ hết các chat khoáng nên nướcđầu ra có pH thấp [8], chất khoáng

canxI, magle loại bỏ làm cho con người

bị bệnh về xương, răng [13]

Không loại bỏ được hợp chất hữu cơ bayhơi, chlorine hay chloramine, những hoá

chất tổng hợp có trong nước

2.2 Chất xúc tác quang Titan dioxit (TiO;)2.2.1 Cau trúc pha tinh thé và tính chất của TiO2

a) Cau trúc pha tinh thé của TiO?TiO; là chất bán dẫn tồn tại ở ba dang thù hình cơ bản: Rutile, Anatase vaBrookite Rutile là trạng thái tinh thể bền của TiOz Pha rutile có mức nănglượng miền cam là 3,02 eV Rutile là pha có độ xếp chặt cao nhất so với hai phaAnatase và Brookite, khối lượng riêng 4,2 g/cm° Rutile có nhiều mạng Bravaistứ phương với các hình bát diện xếp tiếp xúc nhau ở các đỉnh Anatase là pha cóhoạt tính quang hóa mạnh nhất trong 3 pha Anatase có năng lượng miễn cam là3,23 eV và khối lượng riêng 3,9 g/cm° Anantase cũng có kiểu mạng Bravais tứphương như rutile nhưng các hình bát diện xếp cạnh với nhau và tiếp xúc trụccủa tinh thé bị kéo dài Brookite là pha có hoạt tính quang hóa rất yếu, có mứcnăng lượng miền cam là 3,4 eV, khối lượng riêng 4,1 g/cmẺ Trong thực tế, phatinh thể Brookite của TiO; rất ít gặp nên thường được ít dé cập trong các nghiên

cứu và ứng dụng.

Anatase Rutile Brookste

Hình 2.1 Các dang thù hình cua TiO2 [14]

b) Tinh chat vật lý cua TiO>TiO là chất ran mau trang, khi đun nóng có mau vàng, khi làm lạnh thi trởlại màu trang Tinh thể TiO2 có độ cứng cao, khó nóng chảy (nhiệt độ nóngchảy là 1870 °C) Trong các cau trúc tinh thé của TiO thì Rutile có tỉ khối cao

nhất và là cau trúc đặc khít nhất, có độ cứng Mohs 6,5—7,0; cứng hon anatase

(5,5—6,0).

Bang 2.2 Một số tính chat vật lý của TiO2 dang anantase va rutile [14]STT Tinh chat vat ly Anatase Rutile| Cau trúc tinh thể Tứ phương Tứ phương2 Nhiệt độ nóng chảy (°C) 1800 1850

3 Khối lượng riêng (g/cm?) 3,84 4,20

4 Độ cứng Mohs 5,5-6,0 6,0-7,0

5 Chỉ số khúc xạ 2,54 2,756 Hang số điện môi 31 1147 Nhiệt dung riêng (cal/mol.°C) 12,96 13.2

Mức năng lượng vùng câm 3,23 3,02

(eV)

c) Degussa P25

Degussa P25 được điều chế bằng phương pháp thuỷ phân TiCls trong ngọn

lửa ở nhiệt độ cao (hơn 1200°C) với sự có mặt của hydro và oxy P25 có độ tinh

khiết > 99,5% với tỉ lệ thành phan pha anatase: rulite = 75:25 Diện tích bề mặtriêng cỡ 50+15 m2/g với đường kích hạt trung bình 21 nm Trong đó 95% số hạtcó kích thước trong khoảng 9-38nm Nhiều công trình nghiên cứu gan đây chothay, sử dung TiO; với anatas thuần khiết (99.9%) hoạt tính quang xúc tác tha

hơn khi dùng Degussa P25 [15] Nguyên nhân vì mức năng lượng vùng dẫn của

anatas có giá tri dương hơn rutile khoảng 0,3 eV Trong khi mức năng lượng

vùng hóa trị của anatas sẽ nhảy xuống băng dẫn rutile có mức năng lượng ítdương hơn, kết quả giúp hạn chế việc tái kết hợp của electron quang sinh e cpvà lỗ trồng quáng sinh [16]

2.2.2 Cơ chế hình thành gốc tự do hydroxyl (OH*)

TiO2 (dang Anatase) có độ rộng năng lượng vùng cam Ez =3,23 eV nên cóthé hap thu được bức xạ tử ngoại gần (A< 387,5 nm) Thế oxy hóa khử của vùnghóa trị (VB) và vùng dẫn (CB) của TiO2 tương ứng là +3,1eV và -0,leV.

Mức năng lượng Obitan liên kết của TiO»

Ox» + (Tid) Vung hoa tri

Hình 2.3 Gian đô năng lượng orbitan liên kết của TiO2 trong anataseKhi được chiếu sáng bởi các bức xạ có năng lượng băng hoặc lớn hơn nănglượng vùng cấm (tương ứng với bức xạ UVA có bước sóng A< 387,5 nm) thìTiO; sẽ hap phụ các photon (AV) và khi đó các điện tử e' trong vùng hóa trị sẽđược kích thích nhảy lên vùng dẫn, kết quả là dé lại lỗ trong h* có điện tíchdương trong vùng hóa trị Các lỗ trông quang sinh mang điện tích dương sẽ dichuyền ra bề mặt của hạt xúc tac, nếu trong môi trường nước sẽ xảy ra nhữngphản ứng tạo gốc tự do OH: trên bề mặt chất xúc tác theo phương trình:

h vs + HO 2>OH+ H' (2.2.1)

h vs + OH > OH: (2.2.2)

Mặt khác, khi xuất hiện electron quang sinh trên vùng dẫn, các electronquang sinh nay cũng di chuyển ra bề mặt chất xúc tác Nếu có mặt O; hấp phụtrên bề mặt chất xúc tác, các phản ứng sẽ xảy ra khử tạo gốc ion superoxit O2~

trên bê mặt và tiép theo sẽ xảy ra phan ứng với nước tạo gôc OH

ecp + O2% O27 (2.2.3)

2 O2~+ 2H20 > H202 + 2OH + O; (2.2.4)

H;O; + ecp OH + OH- (2.2.5)

lon OH lại có thé tác dụng với lỗ trồng quang sinh trên vùng hóa trị dé taogốc tự do OH: theo phản ứng:

h vs + OH > OH (2.2.6)

Tuy nhiên, các electron quang sinh trên vùng dan có xu hướng tái kết hopvới các lỗ trống quang sinh trên vùng hóa trị Chính quá trình này đã làm giảmđáng ké hiệu quả xúc tác quang của vật liệu TiO2¿

2.2.3 Cơ chế diệt khuẩn của vật liệu TiO;

Quá trình oxy hóa quang xúc tác có khả năng phá hủy các vật liệu sinh học

như vi khuẩn, virus, nam mốc Phương thức phá hủy các loại vi khuẩn, virushoặc mầm bệnh trong nước là do các lỗ trống quang sinh tao ra gốc hydroxyltrên bề mặt có tác dụng phá hủy hoặc làm biến dạng thành tế bào, làm đứt gãychuỗi DNA, dẫn đến làm cho chúng không hoạt động hoặc chết ngay tức khắc.Mặt khác các electron quang sinh khử oxi tạo ra gốc Ox" và sau đó tạo ra H;Ozcũng góp phan tiêu diệt các vi khuẩn, virus, mầm bệnh trong nước Các kết quảnghiên cứu giúp làm rõ luận điểm về cơ chế diệt khuẩn vừa dé cap, Maness vàcộng sự (1999) [17] cho thay gốc OH, gốc Oo” và H;O; sinh ra trong quá trìnhoxi hóa quang xúc tác đã tan công các phospholipid không no của E.coli, làmphá hủy màng tế bao, làm đứt chuỗi DNA của các vật liệu sinh hoc; Cho vàcộng sự (2004) [4] xác định được mối quan hệ tuyến tính giữa sự khử hoạt tínhvi khuẩn E.coli với nồng độ hydroxyl OH: trong quá trình oxi hóa quang xúc

tác.

Một số nhà nghiên cứu khác đã chứng tỏ quá trình oxy hóa đối với vi sinhvật của chất xúc tác quang làm phá hủy thành tế bảo, màng tế bảo và sự rò rỉcác thành phan nội bao Saito và các đồng sự [18] đã tìm ra sự rò rỉ ion K* trongquá trình khử trùng Streptococcus sorbrinus băng TiOz được chiếu sáng, vàchính sự thất thoát ion K* làm cho các tế bào bị chết đi Khi một nồng độ lớnion K* được thêm vào dung dịch sau phan ứng, sự sống của vi sinh vật khôngthé phuc hồi Dé xác định mức độ tốn hại mang té bào, các tác giả đo lường sựrò ri K*, từ đó xác định lượng tế bào bị tiêu diệt bang TiOz Sau khi được chiếusáng 120 phút, các phân tử có khối lượng lớn như protein và ARN được tìmthấy ở ngoại bào, chứng tỏ phân lớn tế bào đã bị phá vỡ Các tác giả cũng nhận

thay sự giảm pH tai thời điểm này, duoc lý giải là do sự rò rỉ của các thànhphan nội bào có tính acid và sự khoáng hóa các thành phan nay thành CO2

Bang chứng trực tiếp của sự phá hủy màng tế bao được đưa ra bởi Sunadavà các cộng sự[19]|khi sử dụng mang mong TiO2 để đo lường sự phân hủy

endotoxin từ E co Endotoxin là một đại phan tử lipopolysaccharide, có trong

thành phan màng ngoài tế bảo vi khuẩn Gram 4m, bao gồm cả vi khuẩn E coli.Độc chất của endotoxin gây ra phần lớn do các lipid (điển hình là lipid A).Endotoxin là một thành phần bên trong của lớp vỏ tế bào vi khuẩn, và chỉ đượctạo ra khi cau trúc của tế bào bi phân hủy Do đó, sự giải phóng endotoxinchứng tỏ màng ngoài của tế bào bị phá hủy Kết quả này chứng tỏ quá trình xúctác quang bang TiO; dẫn đến sự phân hủy mảng ngoài tế bao vi khuẩn E coli,cũng như sự phân hủy các độc chất sinh ra khi tế bào vi khuẩn bị tiêu diệt.Trong nghiên cứu gan đây, Sunada và các cộng sự tiếp tục chứng minh sự phânhuỷ tế bào bởi xúc tác quang hoá bằng cách đo mức độ bất hoạt của tế bàoE.coli còn nguyên ven và tế bao bị phá huỷ thành tế bào

Tóm lại, nhiều nghiên cứu đưa ra băng chứng về nguyên nhân dẫn đến cáichết của tế bảo vi khuẩn là do các gốc oxy hoá như hydroxyl, ion superoxidehay hydrogen peroxide được sinh ra từ quá trình xúc tác quang TiO2 Các gốcnay tan công vào lipid peroxidation dẫn đến sự mất 6n định của tế bào và ngăncan quá trình hô hấp nội bao Quá trình làm mất năng lượng va sau đó là sự tancông của các gốc oxi hoá vào những thành phan bên trong màng tế bao cuốicùng dẫn đến cái chết của tế bảo vi khuẩn

2.3 Phương trình động học khử khuẩn

2.3.1 Mô hình Hom

Băng việc phân tích đồ thị của hàm log lượng vi khuẩn sống sót tương ứngvới thời gian tiếp xúc với chlorine của hệ vi khuẩn tảo tự nhiên, Hom (1972)nhận thấy mối tương quan nay không phải là đường tuyến tính như mô hìnhChick-Watson, mô hình đường cong này phụ thuộc vào hệ số thực nghiệm n và

m.

Khi n = 1, và m = 1 thì phương trình trở thành mô hình Chick-Watson đơn

giản Trong trường hợp m>1 thì mô hình là đường cong lỗi và m<1 thì mô hìnhlà đường cong lõm Mô hình Hom xem xét đến hai thông số trong mô hình lý

thuyết va giải thích sự xuất hiện của chỉ đường cong lỗi hoặc đường cong lõm.Mô hình này sau đó được cải tiễn hơn nữa [4] [20]vì thế có thể khảo sát đượccác pha khác nhau trong quá trình xúc tác quang hóa Mô hình Hom cải tiễnđược nghiên cứu bang các áp dụng mô hình Hom nguyên bản thông qua việcđiều chỉnh đặc điểm các pha chậm pha tuyến tính hàm log ở cùng thời gian.

Không như những mô hình trước đó, mô hình này được thêm vào giá tri

độc lập No (số lượng vi khuẩn ban dau) bên cạnh thời gian tiếp xúc và nồng độchất khử trùng Một ví dụ điển hình cho việc sử dụng mô hình Rational nay lànghiên cứu của [21] Mô hình thí nghiệm là một bể phản ứng khuấy trộn nhằmtiêu diệt vi khuẩn Poliovirus bang ozone Nghiên cứu tìm ra giá tri x = 0,69,điều này cho hiệu quả khử khuẩn không độc lập với nồng độ vi khuẩn ban đầu.Mô hình Rational có thé mô ta cả đường cong lỗi khi x < 1 và đường cong lõm

khi x > 1 Khi x=1, nó trở thành mô hình đơn giản Chick- Watson.2.3.3 Mô hình Hom-power

Mô hình Hom Power được phát triển bởi Anotai (1996) Mô hình này đượckết hợp giữa mô hình Hom và mô hình Rational, tức phân tích mở rộng với 4thông số tạo thành mô hình Hom-Power [22] (k, m, n và x) Phương trình nàycũng cho nông độ vi khuẩn ban đầu là giá trị độc lập khác nhau

Log = —(Ilog[1+Nố" ?(x— —

(2.4.4)

Trong đó, các gia tri k, m, n va x giống như trong mô hình Hom vàRational Mô hình này có thể cho khả năng tương thích cao hơn cả mô hình

Hom và Rational Chang và các cộng sự [23] sử dụng hàm mũ này và tính toán

được x = 1.06 cho quá trình diệt khuẩn E.coli bang TiO¿ Với Younasva cáccộng sự [24] hang số thực nghiệm x = 1,03 cho vật liệu Ag-TiO2 dưới ánh sángkhả kiến

2.4 Tinh hình nghiên cứu hiệu quả diệt khuẩn của vật liệu TiO;Các kết quả nghiên cứu về khả năng diệt khuẩn của vật liệu TiOz đã đượcnhiều nhà khoa học công bố Cơ chế tiêu diệt vi khuẩn đã được Maness [25]nghiên cứu va cho thay gốc OH, Oz và HaO; sinh ra trong quá trình oxi hóaquang xúc tac đã tan công các phospholipid không no của E.coli, làm phá hủymảng tế bào vi khuẩn; Ching vi khuẩn Steptococus bị tiêu diệt hoàn toàn trongvòng 3 phút bang bức xạ UV trên xúc tác TiO2[26]; Nồng độ tối ưu 1g/I vật liệuTiO; khi kết hợp với ánh sáng UV cho tiêu diệt hoàn toàn vi khuần Salmonellatyphimurium từ 10! — 107 CFU/ml [27].

Bên cạnh các nghiên cứu sử dụng các hợp chất TiO2 ở dạng bột, cũng cónhiều nghiên cứu ứng dụng dạng lớp phim mỏng TiO2 phủ lên các vật mangkhác nhau dé xử lý nguồn nước bị ô nhiễm: Hệ thiết bị làm bằng lưới thủy tinhtâm phủ TiO› bao quanh đèn UV dé xử lý nước chứa nhiều rong tảo có mau

xanh và tiêu diệt hoàn toàn Coliform [28], hay phú TiO2 lên các hat silica, cat

thạch anh, sợi cacbon Sử dụng chất xúc tác TiO2 dưới dạng này có ưu điểm chủyếu là tránh việc tách chất xúc tác sau khi phản ứng trong môi trường nước Tuyvậy phương pháp nảy có một số nhược điểm chính:

- Kỹ thuật gan chất xúc tác trên dé mang dưới dạng mang mỏng phức tạp

Hơn nữa, màng xúc tác có xu hướng bị bong trôi theo thời gian sử dụng nênphải định ky tái tạo.

- Hiệu qua quá trình quang xúc tác giảm khoảng 60-70% so với cách sử

dụng chat xúc tác dạng huyền phù do bề mặt tiếp xúc giữa chat xúc tác và chấtphản ứng rat hạn chế, quá trình chuyển khối kém [29]-[3 1]

Các nghiên cứu trên chỉ tập trung vào sử dung nguồn UV nhân tạo, do sựcung cấp năng lượng 6n định theo thời gian, nhưng việc sử dung này lại gây ranhiều tiêu hao năng lượng Vì vậy đã có nhiều nghiên cứu hướng đến việc tậndụng nguồn UV tự nhiên từ ánh sáng mặt trời cho quá trình xúc tác quang TheoCooper và cộng sự với hàm lượng TiO2 0.01% và ánh nắng mặt trời có cườngđộ UV 29 W/m? có thể tiêu diệt hoàn toàn vi khuẩn E.coli, Pseudomanas

aeruginosa, serratia marcescens trong vòng 4 giờ [32]; Nghiên cứu cua Rincon

va cộng sự (2004) [33], với nồng độ TiO: từ 0.02 -0.1g/L kết hợp với ánh sángmặt trời đủ để xử lý 70 lít nước bị ô nhiễm vi khuẩn E.coli Theo nhóm nghiêncứu Sihem và cộng sự khi sử dụng TiO2 (P25) với nồng độ 0,5 g/l trong vòng 5phút có thé tiêu diệt hoàn toàn nồng độ E.coli ở 10° CFU/ml [34] Tuy nhiên,các nghiên cứu chưa quan tâm đến sự thay đổi của bức xạ UV tự nhiên đếnhiệu quả diệt khuẩn của TiOz Bên cạnh đó, năng lượng miền cắm của TiO? lớnvà dễ xảy ra quá trình tái t6 hợp giữa electron va lỗ trỗng quang sinh làm giảmkha năng sinh tạo gốc hydroxyl (OH), từ đó làm giảm hiệu quả của quá trìnhquang xúc tác trên TiO; Vi vậy, việc biến tính TiO; để giảm độ rộng nănglượng vùng cấm, tăng khả năng hoạt động cho trong vùng ánh sáng khả kiến làđều rất cần thiết

Nhiều nghiên cứu tìm cách cải thiện những đặc tính lý hoá của TiO2 thôngqua quá trình điều chế Việc biến tính bề mặt TiO2 là một trong những lựa chọnhứa hen dé có thé làm cho TiO? trở nên nhạy cảm trong ánh sáng nhìn thấy Dođó, nhiều chất pha tạp như kim loại và phi kim được cho vào cầu trúc của TiO2nham nâng cao hoạt tính xúc tác quang hóa học của TiOz Những biện pháp đểhạn chế quá trình tái kết hợp của electron quang sinh và lỗ trong quang sinh làm

tăng hiệu qua quá trình quang xúc tác trên T1O› được chú ý:

- Dùng phi kim để biến tính TiOa, các phi kim như carbon (C), Nitơ (N) và

sulfur (S) giúp cải thiện hình thái và khả năng quang hóa của TiO2 [35] Việc

pha tạp phi kim giúp mở rộng năng lượng vùng cắm của TiO? và cải thiện vùnghấp thu ánh sáng của TiO; dịch chuyển từ vùng ánh sáng UV sang vùng ánhsáng khả kiến

- Cây một số ion kim loại kích thích vào mang tinh thé TiOz có khả năngbay các electron quang sinh, ngăn không cho tái kết hợp với lỗ trống quangsinh Một số ion kim loại thường được nghiên cứu để cấy vào mạng tỉnh thểTiO; là V**, Mn3*, Ru?', Fe3*, Cr3*, Ni2* (với nồng độ khoảng 0.05% so với

T1O2) [36]

- Một số 4 kim cũng duoc dùng dé pha tạp, trong đó Si được dùng phốbiến Pha tap bang Si giúp tăng 6n định nhiệt của pha anatase cũng như ngănchặn sự chuyển đổi giữa pha anatase sang pha rultile [37] Nghiên cứu ảnhhưởng của việc pha tạp Si lên TiO2 [38] cho kích thước hạt nhỏ hon, thể tích lỗrỗng và diện tích bề mặt lớn hơn với phương pháp thuỷ phân nhiệt Điều nàyđồng nghĩa với việc liên kết Ti-O-Si duy trì nồng độ nhóm hydroxyl bề mặt cao

nên hoạt tính xúc tac quang của Si-TiO2 cao.

- Biến tính bề mặt TiOa với các kim loại bạc (Ag), platin (Pt) có tác dụngnhư hồ chôn giữ electron Các electron quang sinh sẽ tích tụ vào các kim loại,hạn chế được quá trình tái kết hợp, làm tăng thời gian sống của các lỗ trốngquang sinh dé tạo ra gốc hydroxyl [36]

Hoạt tính quang hóa của TiO; ảnh hưởng rất lớn bởi các kim loại pha tạp,trong đó việc sử dụng kim loại bạc gan lên nền TiO» được nhiều nghiên cứuquan tâm Do bạc khi ở trạng thái nano có khả năng phóng thích ra Ag°, Ag* tancông vi khuẩn gây bất hoạt enzym hay DNA dẫn đến gây chết tế bào [39] Bêncạnh đó, Ag đóng vai tro là hỗ chôn giữ electron khi ton tại trên bền mặt TiOs,Ag còn có khả năng làm giảm độ rộng vùng cắm của TiOatừ đó làm tăng hoạttính quang hóa cho TiO2, mở rộng vùng ánh sáng hoạt động từ vùng UV đếnvùng ánh sáng khả kiến [39]

2.5 Hiệu quả diệt khuẩn của Ag-TiO; dưới điều kiện ánh sáng mặt trờiHiệu quả diệt khuân của Ag-TiO2 được công bố qua nhiều nghiên cứu, khảnăng diệt khuẩn của Ag-TiO› phụ thuộc vào các yếu tố như phương pháp điềuchế, nông độ Ag pha tạp, hàm lượng chất xúc tác quang, cường độ ánh sáng.Các nghiên cứu về hiệu quả diệt khuẩn của Ag-TiOz:

- Nhóm nghiên cứu của Theil và cộng sự (2007) [40], cho thay Ag-TiO;điều chế bằng phương pháp sol-gel có hiệu quả diệt khuẩn cao hơn bạc riêng lẻ.Điều này thé hiện được sự cộng hưởng của Ag và TiO; khi kết hợp hai chất nàyvới nhau Tuy nhiên việc sử dụng nano Ag để so sánh trong nghiên cứu nàykhông có sự đồng đều về nồng độ Ag trong vật liệu, dẫn đến sự so sánh có phan

chủ quan.

- Thí nghiệm tối ưu nồng độ Ag pha tạp trên TiO2, nhóm nghiên cứu

Kubacka.A và cộng sự (2007) [41] đã chứng minh khả năng nâng cao hiệu qua

khử khuẩn của TiO2 khi có sự tham gia của bạc Nghiên cứu điều chế Ag-TiO2băng phương pháp tam và phương pháp quang hóa Kết qua cho thay nồng độAg tối ưu cho hai phương pháp này là 1%, nhưng ở nồng độ cao hơn thì phươngpháp quang hóa cho hiệu quả diệt khuẩn cao hơn Tuy nhiên, nghiên cứu cũngchưa giải thích được hoạt tính khử khuẩn tối đa gây ra do bạc bắt giữ electron

hay do nguyên nhân khác.- Nhóm nghiên cứu của N Nino-Martinez cải thiện hiệu quả quang xúc tác

cho TiO2 băng phương pháp khử với NaBH‹, vật liệu này có khả năng được vikhuẩn E.coli và S.aureus 6 ty lệ tối ưu Ag/T1O› = 25/1, kích thước hat cua vậtliệu là 20 nm Dong thời nghiên cứu này cũng chỉ ra rằng hoạt tính kháng khuẩncủa Ag-TiO2 tăng lên dang kế so với các hat nano bạc và hạt nano TiO; tách

riêng lẻ Nhưng tỷ lệ pha tạp Ag trong nghiên cứu này và kích thước hạt khá

lớn, ngoài ra nghiên cứu cũng chưa đề cập đến đến ảnh hưởng năng lượng UVđến hiệu quả diệt khuẩn và độ giảm năng lượng vùng cam của TiO

- Biến tính TiO2 bằng phương pháp tam bạc, nhóm nghiên cứu của Kumarvà Raza 2009 [42]cho thay ở tỉ lệ 1,5% Ag/TiOz (tỷ lệ mol)ở nồng độ 0.75mg/ml thì vật liệu có khả năng diệt khuẩn hoàn toàn nồng độ E.coli 10° CFU/mltrong vòng 30 phút Nghiên cứu chỉ ra rang Ag không làm thay đổi cấu trúc tinhthé của TiO2, Ag chủ yếu gây ra sự thay đổi pho ánh sáng hấp thu cho TiOz.Tuy nhiên sự thấp thu ánh sáng giảm không đáng kể Bên cạnh đó, phươngpháp này tạo ra kích kích thước hạt tổ hợp khá lớn khoảng 30 -70 nm

- Nghiên cứu cua Younas va các cộng sự cho thay [43], điều chế vật liệubăng phương pháp tam ty lệ % mol Ag/TiO; từ 1% đến 5% thì hiệu quả diệtkhuẩn không tăng, và tỷ lệ % tối ưu để tiêu diệt hoàn toàn vi khuẩn trong 60phút là 1% Ag-TiOsở nồng độ 5 g/ 100 ml Nghiên cứu cho thấy vật liệu có théhấp thu ánh sáng ở bước sóng từ 400 — 700 nm, nhưng lại không đề cập đến ảnhhưởng của năng lượng bức xạ đến hiệu quả diệt khuẩn.

Các nghiên cứu vẻ hiệu quả diệt khuẩn của Ag-TiO; dưới điều kiện ánh mặttrời vẫn chưa để cập nhiều ảnh hưởng của năng lượng bức xạ đến hoạt độngquang xúc tác, hàm lượng nông độ vật liệu để diệt khuẩn dùng trong các nghiêncứu còn khá cao, bên cạnh đó rất ít các nghiên cứu so sánh về hiệu quả diệtkhuẩn của các phương pháp bién tính bang Ag

2.6 Khir trùng nước bang vật liệu xúc tác quang dưới điều kiện ánh sáng

trình khử trùng diễn ra nhanh chóng và đạt hiệu quả cao Tuy nhiên, nhược

điểm chính khi sử dung xúc tác ở dạng huyền phù là can phải tach chất xúc tácsau phản ứng ra khỏi nước để tái sử dụng lại Vi vật liệu xúc tác quang có cautrúc nano nên ở trạng thái lơ lửng việc tách vật liệu băng cách lang va loc khithuc hién trong diéu kién lượng nước xử lý lớn sẽ trở nên tốn kém và phức tạpnhiều, ngoài ra hàm lượng chất xúc tác sử dụng cao và hiệu quả diệt khuẩn dưới

ánh sáng mặt trời còn thấp Do đó tạo vật liệu dạng màng mỏng gan cố định

trên giá thé dạng hạt hay dạng tam phang sẽ tránh được việc tách các chat xúc

tác Bên cạnh đó vật liệu phủ vật liệu Ag-T1O› lên các gia thé nay sé nang caokhả năng diệt khuẩn cho TiO2 Tuy nhiên, có ít nghiên cứu tạo ra các lớp phimmỏng phủ vật liệu Ag-TiO2 tan dụng anh sáng mặt trời dé khử trùng nước.

CHƯƠNG 3: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP

dioxit (T1O2) với ty lệ anatase va rutile là 75:25 của hang Merck — Đức

s* Quy trình chuẩn bi vật liệu như Hình 3.1:

Tron TiO, + nước cất bằng sóng siêu

tán TiO¿ đều trong nước (30 phút) Cho AgNO3 vao dé có các ti lệ Ag/TiO2

(P25) (mol/ mol) 0.5%; 1% và 2% Sau đó, hỗn hợp này được quay ly tâm trong10 phút với tốc độ 2000 vòng/ phút và say 105°C trong 12h sẽ hình vật liệuchuyển từ màu trắng sang màu nâu Tiếp theo, vật liệu này được nghiền mịn và

nung ở 550 °C trong 6h Sản phẩm cuối cùng của quá trình có dạng bột trắng

3.1.2 Chuan bi vật liệu Ag-TiO2-SiO2 bang phương pháp sol-gelCác hóa chất dùng cho quá trình chuẩn bị vật liệu Ag-TiO›-SiO; gồm:

¢ Dung môi: 130 ml ethanol + 130 ml propan-1-ol

¢ Dung dịch ST: 60 ml dung môi + 0,76 ml nước cất + 0,055 ml HNO3

¢ Dung dịch S2: 60 ml dung môi + 4,84 ml TEOS¢ Dung dịch S3: 60 ml dung môi + 42,2 ml TTIP

¢ Dung dịch S4: 80 ml dung môi + 11 ml nước cất + 0,055 ml HNO; +

0.23726 g AgNO3

Dung môi + H20 + HNO3 Dung môi + TEOS(Ký hiệu S1) (Ký hiệu S2)

>Ỹ

Dung môi + TTIP Khuấy trộn (500 vòng/phút,

(Ký hiếu S3) nhiệt đô phòng 30 phút)