Nghiên cứu điều chế hệ xúc tác quang TIO2vật liệu vảiVIS (bức xạ ánh sáng nhìn thấy) để khử khuẩn trong không khí

MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG i DANH MỤC HÌNH ii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT iv MỞ ĐẦU 1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 3 1.1. Giới thiệu chung về titan điôxit 3 1.2. Cơ chế xúc tác của TiO 2 6 1.2.1. Quá trình kích thích điện tử của chất bán dẫn 6 1.2.2. Cơ chế xúc tác quang hóa của TiO 2 6 1.3. Vật liệu nano TiO 2 biến tính 10 1.3.1. Vật liệu TiO 2 đƣợc biến tính bằng các kim loại 12 1.3.2. Vật liệu TiO 2 đƣợc biến tính bằng các nguyên tố phi kim 13 1.4. Các phƣơng pháp điều chế titan điôxit kích thƣớc nanomet 15 1.4.1. Các phƣơng pháp vật lý 15 1.4.2. Một số phƣơng pháp hoá học 16 1.5. Ô nhiễm vi khuẩn trong môi trƣờng không khí 23 1.5.1. Trực khuẩn mủ xanh (Pseudomonas aeruginosa) [1] 23 1.5.2. Tụ cầu vàng (Staphylococcus aureus) 25 1.5.3. Tình hình ô nhiễm vi sinh trong môi trƣờng không khí 26 1.6. TiO 2 và khả năng xử lý môi trƣờng 28 CHƢƠNG 2. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 34 2.1. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 34 2.2. Hóa chất và thiết bị 34 2.2.1. Vật liệu và hóa chất 34 2.2.2. Các thiết bị và dụng cụ 35 2.3. Phƣơng pháp nghiên cứu 36 2.3.1. Phƣơng pháp phân tích tài liệu thứ cấp 36 2.3.2. Phƣơng pháp tổng hợp vật liệu 36 2.3.3. Phƣơng pháp vật lý xác định đặc tính và cấu trúc vật liệu 39 2.3.4. Phƣơng pháp đánh giá khả năng khử khuẩn của vật liệu 42 CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 45 3.1. Kết quả điều chế và khảo sát đặc tính, cấu trúc vật liệu N-TiO 2 45 3.1.1. Đặc trƣng phổ nhiễu xạ Rơn-ghen của vật liệu N-TiO 2 45 3.1.2. Đặc trƣng phổ vi điện tử quét SEM của vật liệu 46 3.1.3. Kết quả phân tích phổ tán xạ năng lƣợng (EDX) 48 3.1.4. Kết quả phân tích quang phổ hồng ngoại biến đổi chuỗi Fourier (FTIR) 49 3.2. Kết quả khảo sát khả năng khử khuẩn của vật liệu 50 3.2.1. Kết quả khảo sát mật độ vi khuẩn trên các mẫu đối chứng 50 3.2.2. Khảo sát tính khử khuẩn của vật liệu N-TiO 2 58 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 69 i DANH MỤC BẢNG Bảng 1. Kết quả phân tích tán xạ năng lƣợng của vật liệu N-TiO 2 /vải thủy tinh 49 Bảng 2. Kết quả khảo sát mật độ vi khuẩn trên mẫu đối chứng dƣơng 54 Bảng 3. Kết quả thử nghiệm tính khử khuẩn trên vật liệu vải thủy tinh 56 Bảng 4. Kết quả thử nghiệm tính khử khuẩn trên vật liệu N-TiO 2 /vải thủy tinh 57 Bảng 5. Kết quả thử nghiệm tính khử khuẩn trên vật liệu TiO 2 60 Bảng 6. Kết quả thử nghiệm tính khử khuẩn trên vật liệu ở mật độ vi khuẩn 10 2 CFU/ml 61 Bảng 7. Kết quả thử nghiệm tính khử khuẩn trên vật liệu ở mật độ vi khuẩn 10 3 CFU/ml 62 Bảng 8. Kết quả thử nghiệm tính khử khuẩn trên vật liệu ở mật độ vi khuẩn 10 4 CFU/ml 65 Bảng 9. Kết quả thử nghiệm tính khử khuẩn trên vật liệu ở mật độ vi khuẩn 10 5 CFU/ml 66 ii DANH MỤC HÌNH Hình 1. Các dạng thù hình khác nhau của TiO 2 : (A) rutile, (B) anatase, (C) brookite. 3 Hình 2. Khối bát diện của TiO 2 4 Hình 3. Cấu trúc tinh thể của TiO 2 : (A) rutile, (B) anatase. 5 Hình 4. Cấu trúc tinh thể của TiO 2 : brookite. 5 Hình 5. Giản đồ năng lƣợng của pha anatase và pha rutile [51] 7 Hình 6. Cơ chế của phản ứng quang xúc tác của vật liệu TiO 2 khi đƣợc chiếu sáng . 9 Hình 7. Cơ chế quang xúc tác của vật liệu N-TiO 2 [20]. 15 Hình 8. Trực khuẩn mủ xanh 24 Hình 9. Tụ cầu vàng 25 Hình 10. Chu trình điều chế TiO 2 kích thƣớc nano mét biến tính nitơ bằng tác nhân (NH 2 ) 2 CO từ TiCl 4 . 38 Hình 11. Chu trình điều chế N-TiO 2 /vải thủy tinh bằng tác nhân (NH 2 ) 2 CO từ TiCl 4 . 39 Hình 12. Mẫu N- TiO 2 /vải thủy tinh trong dung dịch chứa vi khuẩn 43 Hình 13. Phổ nhiễu xạ Rơn-ghen của vật liệu N-TiO 2 45 Hình 14. Phổ vi điện tử quét SEM của vật liệu N-TiO 2 với tỉ lệ (NH 2 ) 2 CO:TiCl 4 = 1:1 46 Hình 15. Phổ vi điện tử quét SEM của vật liệu (a) vải thủy tinh, (b)(c)(d) N- TiO 2 /vải thủy tinh 47 Hình 16. Phổ tán xạ năng lƣợng của vật liệu N-TiO 2 /vải thủy tinh 48 Hình 17. Phổ hồng ngoại biến đối chuỗi Fourier của vật liệu 1(TN1) 49 iii Hình 18. Giả thiết sự thay thế N bằng O trong cấu trúc mạng tinh thể của TiO 2 [56] 50 Hình 19. Mẫu đối chứng âm sau 24 giờ 52 Hình 20. Mẫu đối chứng dƣơng trƣớc và sau 24 giờ 55 Hình 21. Đồ thị thể hiện mật độ vi khuẩn còn lại theo thời gian tiếp xúc N-TiO 2 /vải thủy tinh/Vis tại mật độ 10 2 CFU/mL 58 Hình 22. Đồ thị thể hiện mật độ vi khuẩn còn lại theo thời gian tiếp xúc N-TiO 2 /vải thủy tinh/Vis tại mật độ 10 3 CFU/mL 63 Hình 23. Đồ thị thể hiện mật độ vi khuẩn còn lại theo thời gian tiếp xúc N-TiO 2 /vải thủy tinh/Vis tại mật độ 10 4 CFU/mL 64 Hình 24. Đồ thị thể hiện mật độ vi khuẩn còn lại theo thời gian tiếp xúc N-TiO 2 /vải thủy tinh/Vis tại mật độ 10 5 CFU/mL 64 Hình 25. Mẫu vi khuẩn sau các khoảng thời gian 67 iv DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT MX Trực khuẩn mủ xanh TCV Tụ cầu vàng TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam v 1 MỞ ĐẦU Sự ô nhiễm vi sinh vật trong môi trƣờng không khí nói chung và ở các khoa/phòng chuyên môn trong bệnh viện nói riêng tiêu biểu nhƣ trực khuẩn mủ xanh và tụ cầu vàng là mối nguy hại có thể ảnh hƣởng đến sức khỏe con ngƣời. Vì vậy, nghiên cứu điều chế các vật liệu có khả năng khử khuẩn nhằm xử lý môi trƣờng không khí bảo vệ sức khỏe con ngƣời là một vấn đề vô cùng cấp thiết. Titan điôxit (TiO 2 ) là chất xúc tác bán dẫn. Gần một thế kỷ trở lại đây, bột TiO 2 với kích thƣớc cỡ nanomet đã đƣợc điều chế ở quy mô công nghiệp và đƣợc ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau nhƣ làm chất độn trong cao su, nhựa, giấy, sợi vải, làm chất màu cho sơn, men đồ gốm, sứ… [39]. Gần đây, TiO 2 tinh thể kích thƣớc nanomet ở các dạng thù hình rutile, anatase, hoặc hỗn hợp rutile, anatase và brookite đã đƣợc nghiên cứu ứng dụng vào các lĩnh vực pin mặt trời, quang phân nƣớc và làm vật liệu quang xúc tác tổng hợp các hợp chất hữu cơ, xử lý môi trƣờng nhƣ sơn tự làm sạch [39]. Các ứng dụng mới của vật liệu TiO 2 kích thƣớc nanomet chủ yếu dựa vào tính chất bán dẫn của nó. Với hoạt tính quang xúc tác cao, cấu trúc bền và không độc, vật liệu TiO 2 đƣợc cho là vật liệu triển vọng nhất để giải quyết rất nhiều vấn đề môi trƣờng nghiêm trọng hiện nay. Tuy nhiên do độ rộng vùng cấm của titan điôxit khá lớn (3,2 eV đối với anatase và 3,05 eV đối với rutile) nên chỉ ánh sáng tử ngoại với bƣớc sóng < 388 nm mới kích thích đƣợc điện tử từ vùng hóa trị lên vùng dẫn và gây ra hiện tƣợng quang xúc tác. Điều này hạn chế khả năng quang xúc tác của titan điôxit, thu hẹp phạm vi ứng dụng của vật liệu này. Để sử dụng đƣợc các nguồn phát ánh sáng nhìn thấy vào quá trình quang xúc tác của titan điôxit, cần thu hẹp dải trống của nó. Pha tạp TiO 2 bằng những ion phi kim khác nhau là cách thức hiệu quả để mở rộng ánh sáng hấp thụ từ vùng UV sang vùng nhìn thấy và giảm sự tái kết hợp của những electron và lỗ trống đƣợc phát quang của TiO 2. Từ những nghiên cứu nền tảng đó, với mong muốn đƣợc đóng góp một phần nhỏ cho việc tìm kiếm vật liệu quang xúc tác nền TiO 2 hoạt động trong vùng ánh 2 sáng nhìn thấy, tác giả đã tiến hành nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu điều chế hệ xúc tác quang TiO 2 /vật liệu vải/VIS (bức xạ ánh sáng nhìn thấy) để khử khuẩn trong không khí.” Nội dung nghiên cứu của luận văn bao gồm :  Nghiên cứu điều chế hệ xúc tác quang TiO 2 biến tính nitơ để tăng hoạt tính xúc tác quang trong vùng ánh sáng nhìn thấy (N-TiO 2 )  Nghiên cứu cố định xúc tác điều chế đƣợc lên vật liệu vải thủy tinh (N- TiO 2 /vải thủy tinh)  Nghiên cứu khả năng khử khuẩn (Trực khuẩn mủ xanh và Tụ cầu vàng) trong không khí của xúc tác quang TiO 2 /vải thủy tinh trong vùng ánh sáng nhìn thấy (N-TiO 2 /vải thủy tinh/Vis) [...]... nhà nghiên cứu trên thế giới đã nghiên cứu và sử dụng các thế hệ chất quang xúc tác trên cơ sở TiO2 nhƣ sau: + Vật liệu nano TiO2 sạch: thế hệ đầu tiên + Vật liệu nano TiO2 được biến tính bởi nguyên tố kim loại: thế hệ thứ 2 + Vật liệu nano TiO2 được biến tính bởi nguyên tố không kim loại: thế hệ thứ 3 + Vật liệu nano TiO2 được biến tính bởi hỗn hợp ion của các nguyên tố kim loại và phi kim : thế hệ. .. còn 2,5eV khiến ánh sáng có bƣớc sóng λ trong khoảng 500nm đã đủ kích thích tạo hiện tƣợng xúc tác So sánh với vật liệu đƣợc doping các nguyên tố hóa học khác nhƣ F, C, S, P…Nitơ tỏ ra ƣu việt với giá thành rẻ, không gây độc hại và khi đã tạo thành vật liệu TiO2-xNx nó bền và ổn định khi phải tiếp xúc trực tiếp với các tác nhân oxy hóa • nhƣ O2- và OH Hình 7 Cơ chế quang xúc tác của vật liệu N-TiO2 [20]... nung để đạt đƣợc pha rutile bền [29] Brookite cũng quan trọng về mặt ứng dụng, tuy vậy bị hạn chế bởi việc điều chế brookite sạch không lẫn rutile hoặc anatase là điều khó khăn Mặt khác, do vật liệu màng mỏng và hạt nano TiO2 chỉ tồn tại ở dạng thù hình anatase và rutile, hơn nữa khả năng xúc tác quang của brookite hầu nhƣ không có nên ta sẽ không xét đến pha brookite trong phần còn lại của đề tài Trong. .. động Trong khí quyển có rất nhiều hơi nƣớc và oxy; mà thế oxy hoá - khử của nƣớc và oxy thoả mãn yêu cầu trên nên nƣớc đóng vai trò là chất cho và khí oxy đóng vai trò là chất • nhận để tạo ra các chất mới có tính oxy hoá - khử mạnh ( OH và O2-) có thể oxy hoá hầu hết các chất hữu cơ bị hút bám lên bề mặt vật liệu Hình 6 Cơ chế của phản ứng quang xúc tác của vật liệu TiO2 khi được chiếu sáng Trong. .. nghiêm trọng Nhiễm khuẩn không khí bệnh viện có thể do rất nhiều nguyên nhân nhƣ: dụng cụ, thiết bị y tế khử trùng không sạch, khâu rửa tay của các nhân viên y tế chƣa đảm bảo vệ sinh Trong khi đó, ở hầu hết các bệnh viện, việc kiểm soát chất lƣợng không khí và xử lý không khí ô nhiễm vi sinh trong bệnh viện hầu nhƣ chƣa đƣợc đặt ra Theo báo cáo ―Khảo sát ô nhiễm vi sinh trong không khí phòng phẫu thuật,... trong đất, nƣớc, hệ vi sinh vật trên da và các môi trƣờng nhân tạo trên khắp thế giới Vi khuẩn không chỉ phát triển trong môi trƣờng không khí bình thƣờng, mà còn có thể sống trong môi trƣờng có ít khí ôxy, và do đó có thể cƣ trú trong nhiều đối tƣợng môi trƣờng tự nhiên và nhân tạo Nguồn dinh dƣỡng của vi khuẩn này là các hợp chất hữu cơ Trực khuẩn mủ xanh là loại vi khuẩn gây bệnh có điều kiện, khi... các vi khuẩn không có nha bào khác Nó bị diệt ở 800C trong một giờ (các vi khuẩn khác thƣờng bị diệt ở 600C trong 30 phút) Khả năng đề kháng với nhiệt độ thƣờng phụ thuộc vào khả năng thích ứng nhiệt độ tối đa (450C) mà vi khuẩn có thể phát triển 1.5.3 Tình hình ô nhiễm vi sinh trong môi trƣờng không khí Tại các bệnh viện ở nƣớc ta, tình trạng không khí bị ô nhiễm khuẩn gây bệnh hiểm nghèo trong các... chấp ở hình thái nào Nhờ vậy, vật liệu TiO2 đƣợc ứng dụng để làm sạch nguồn nƣớc, không khí, các bề mặt… 1.3 Vật liệu nano TiO2 biến tính Nhiều ứng dụng của vật liệu TiO2 kích thƣớc nano là đƣợc dựa trên khả năng quang xúc tác của nó Bên cạnh đó, bột và màng nano TiO2 có độ bền hóa học cao, không độc hại và giá thành rẻ Tuy nhiên, hiệu suất của quá trình quang xúc tác này đôi khi bị ngăn cản bởi độ... 7/33 phòng chiếm 21,2% (không đạt 78,8%) [10] Đặc biệt, có sự hiện diện của tụ cầu vàng (Staphylococcus aureus) trong không khí phòng mổ với mật độ 7,6 CFU/m3 Số lƣợng vi sinh vật trong không khí phòng hồi sức cao hơn số lƣợng vi sinh vật trong không khí phòng mổ Báo cáo trên còn cho thấy tỷ lệ viêm phổi do thở máy chiếm gần 60%, trong đó tỷ lệ viêm phổi sau khi mổ do vi khuẩn trực khuẩn mủ xanh (Pseudomonas... đƣợc làm khô ở 100oC trong chân không trong vòng 3 ngày Tiếp theo, kết tủa đƣợc nung trong không khí ở 400oC, thời gian nung 100 giờ Các đặc tính của TiO2 đƣợc xác định bằng XRD, SEM Đƣờng kính của các hạt TiO2 theo nghiên cứu là vào khoảng 5 ÷13 nm 18 Thủy phân các muối titan vô cơ Các muối titan vô cơ trƣớc đây hay đƣợc dùng để điều chế TiO2 dạng bột và dạng màng/phủ lên vật liệu nền là TiCl4, Ti(SO4)2, . (bức xạ ánh sáng nhìn thấy) để khử khuẩn trong không khí. ” Nội dung nghiên cứu của luận văn bao gồm :  Nghiên cứu điều chế hệ xúc tác quang TiO 2 biến tính nitơ để tăng hoạt tính xúc tác quang. vật liệu quang xúc tác nền TiO 2 hoạt động trong vùng ánh 2 sáng nhìn thấy, tác giả đã tiến hành nghiên cứu đề tài: Nghiên cứu điều chế hệ xúc tác quang TiO 2 /vật liệu vải/VIS (bức. tác quang trong vùng ánh sáng nhìn thấy (N-TiO 2 )  Nghiên cứu cố định xúc tác điều chế đƣợc lên vật liệu vải thủy tinh (N- TiO 2 /vải thủy tinh)  Nghiên cứu khả năng khử khuẩn (Trực khuẩn mủ