Nghiên cứu cố định bạc kim loại kích thước nanomet trên bề mặt than hoạt tính làm vật liệu tiệt trùng nước

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Dương Thị Thu Hương NGHIÊN CỨU CỐ ĐỊNH BẠC KIM LOẠI KÍCH THƯỚC NANOMET TRÊN BỀ MẶT THAN HOẠT TÍNH LÀM VẬT LIỆU TIỆT TRÙNG NƯỚC LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2016 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Dương Thị Thu Hương NGHIÊN CỨU CỐ ĐỊNH BẠC KIM LOẠI KÍCH THƯỚC NANOMET TRÊN BỀ MẶT THAN HOẠT TÍNH LÀM VẬT LIỆU TIỆT TRÙNG NƯỚC Chuyên ngành: Hóa môi trường Mã số: 60440120 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS TRẦN HỒNG CÔN Hà Nội – 2016 LỜI CẢM ƠN Với lòng kính trọng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn PGS TS Trần Hồng Côn, thầy giao đề tài tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện thuận lợi cho em trình nghiên cứu hoàn thành luận văn Em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo môn Hoá Môi trường phòng thí nghiệm khoa Hóa học – Trường Đại học Khoa học Tự nhiện – Đại học Quốc Gia Hà Nội giúp đỡ em suốt thời gian học tập nghiên cứu vừa qua Chân thành cảm ơn bạn học viên, em sinh viên làm việc phòng thí nghiệm hóa môi trường giúp đỡ trình tìm tài liệu hoàn thiện luận văn Trong trình làm nghiên cứu báo cáo đề tài, chắn không tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận góp ý quý thầy cô để đề tài hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 18 tháng 01 năm 2016 Học viên: Dương Thị Thu Hương DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Số nguyên tử bạc đơn vị thể tích Bảng 1.2 Một số chất hấp phụ điển hình 14 Bảng 1.3 Khả hấp thụ than hoạt tính 17 Bảng 3.1 Kết khảo sát nước đầu vào 38 Bảng 3.2 Kết khảo sát thời gian tiếp xúc với vật liệu A5 40 Bảng 3.3 Kết khảo sát khả diệt khuẩn dãy vật liệu theo phương pháp tĩnh 41 Bảng 3.4 Kết khảo sát tốc độ dòng với vật liệu A5 43 Bảng 3.5 Kết khảo sát chiều cao cột với vật liệu A5 44 Bảng 3.6 Kết khảo sát chiều cao cột với vật liệu A4 46 Bảng 3.7 Kết khảo sát chiều cao cột với vật liệu A3 47 Bảng 3.8 Kết khảo sát chiều cao cột với vật liệu A2 48 Bảng 3.9 Kết khảo sát chiều cao cột với vật liệu A1 49 Bảng 3.10 Kết khảo sát chiều cao cột với vật liệu A0 50 Bảng 3.11 Kết khảo sát nước sông Kim Ngưu đầu vào 51 Bảng 3.12 Khảo sát chiều cao cột tiệt trùng nước sông Kim Ngưu 52 Bảng 3.13 Khảo sát tốc độ dòng tiệt trùng nước sông Kim Ngưu 53 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Tác động ion bạc lên vi sinh vật Hình 1.2 Ion bạc liên kết với bazơ DNA Hình 1.3 Khẩu trang nano bạc Viện Công nghệ môi trường sản xuất 10 Hình 1.4 Dược phẩm, mỹ phẩm sử dụng nano bạc 10 Hình 1.5 Dung dịch nano bạc dùng cho nông nghiệp thủy sản 10 Hình 1.6 Các sản phẩm khác có chứa nano bạc 11 Hình 2.1 Quy trình tổng hợp vật liệu than hoạt tính tẩm nano bạc 27 Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý hoạt động kính hiển vi điện tử truyền qua 31 Hình 2.3 Ảnh TEM hạt nano bạc kích thước 10 nm 32 Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý hoạt động kính hiển vi điện tử quét 32 Hình 3.1 Ảnh TEM dung dịch nano bạc 400mg/l 34 Hình 3.2 Dung dịch nano bạc nồng độ khác 35 Hình 3.3 Ảnh SEM vật liệu than hoạt tính A0 35 Hình 3.4 Ảnh SEM vật liệu A1 36 Hình 3.5 Ảnh SEM vật liệu A2 36 Hình 3.6 Ảnh SEM vật liệu A3 37 Hình 3.7 Ảnh SEM vật liệu A4 37 Hình 3.8 Ảnh SEM vật liệu A5 38 Hình 3.9 Kết khảo sát nước đầu vào 39 Hình 3.10 Kết khảo sát thời gian tiếp xúc với vật liệu A5 40 Hình 3.11 Sự phụ thuộc số lạc khuẩn vào thời gian tiếp xúc với vật liệu A5 41 Hình 3.12 Kết khảo sát khả diệt khuẩn dãy vật liệu theo phương pháp tĩnh 42 Hình 3.13 Sự phụ thuộc số lạc khuẩn vào hàm lượng bạc 42 Hình 3.14 Kết khảo sát tốc độ dòng với vật liệu A5 43 Hình 3.15 Sự phụ thuộc số lạc khuẩn vào tốc độ dòng với vật liệu A5 44 Hình 3.16 Kết khảo sát chiều cao cột với vật liệu A5 45 Hình 3.17 Sự phụ thuộc số lạc khuẩn vào chiều cao cột với vật liệu A5 45 Hình 3.18 Kết khảo sát chiều cao cột với vật liệu A4 46 Hình 3.19 Sự phụ thuộc số lạc khuẩn vào chiều cao cột với vật liệu A4 46 Hình 3.20 Kết khảo sát chiều cao cột với vật liệu A3 47 Hình 3.21 Sự phụ thuộc số lạc khuẩn vào chiều cao cột với vật liệu A3 47 Hình 3.22 Kết khảo sát chiều cao cột với vật liệu A2 48 Hình 3.23 Sự phụ thuộc số lạc khuẩn vào chiều cao cột với vật liệu A2 48 Hình 3.24 Kết khảo sát chiều cao cột với vật liệu A1 49 Hình 3.25 Sự phụ thuộc số lạc khuẩn vào chiều cao cột với vật liệu A1 49 Hình 3.26 Kết khảo sát chiều cao cột với vật liệu A0 50 Hình 3.27 Sự phụ thuộc số lạc khuẩn vào chiều cao cột với vật liệu A0 50 Hình 3.28 Kết khảo sát nước sông Kim Ngưu đầu vào 51 Hình 3.29 Khảo sát chiều cao cột tiệt trùng nước sông Kim Ngưu 52 Hình 3.30 Sự phụ thuộc số lạc khuẩn vào chiều cao cột tiệt trùng nước sông Kim Ngưu Hình 3.31 Kết khảo sát tốc độ dòng tiệt trùng nước sông Kim Ngưu Hình 3.32 Sự phụ thuộc số lạc khuẩn vào tốc độ dòng tiệt trùng nước sông Kim Ngưu 52 53 54 BẢNG KÍ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT AC Than hoạt tính (Activated Carbon) CFU Số đơn vị hình thành khuẩn lạc (Colony Forming Unit) PEG Polyetylenglycol PVA Polyvinylancol PVP Polyvinylpyrrolidone SEM Kính hiển vi điện tử quét (Scanning electron Microscope) TEM Kính hiển vi điện tử truyền qua (Transmission electron Microscope) MỤC LỤC MỞ ĐẦU Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Công nghệ nano vật liệu nano bạc 1.1.1 Công nghệ nano 1.1.2 Vật liệu nano .3 1.1.3 Bạc nano bạc 1.2 Sơ lược hấp phụ than hoạt tính 13 1.2.1 Khái niệm hấp phụ 13 1.2.2 Chất hấp phụ 14 1.2.3 Than hoạt tính 15 1.3 Ô nhiễm vi sinh vật nước sinh hoạt nước thải 18 1.3.1 Nguồn ô nhiễm phân bố vi sinh vật nước thực phẩm 18 1.3.2 Đặc điểm coliform 19 1.3.3 Các phương pháp định lượng vi sinh vật 20 Chương 2: THỰC NGHIỆM 23 2.1 Hóa chất dụng cụ 23 2.1.1 Hóa chất 23 2.1.2 Dụng cụ .23 2.2 Tổng hợp vật liệu .24 2.2.1 Quy trình điều chế dung dịch nano bạc 24 2.2.2 Quy trình tổng hợp vật liệu than hoạt tính tẩm nano bạc 25 2.2.3 Xác định lượng nano bạc dư dung dịch lọc .26 2.3 Quy trình khảo sát khả tiệt trùng vật liệu 27 2.3.1 Rửa khử trùng dụng cụ 27 2.3.2 Chuẩn bị mẫu nước thử nghiệm 28 2.3.3 Chuẩn bị môi trường thạch Endo 29 2.3.4 Định lượng coliform 29 2.4 Một số phương pháp nghiên cứu vật liệu 30 2.4.1 Kính hiển vi điện tử truyền qua .30 2.4.2 Kính hiển vi điện tử quét 32 Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 33 3.1 Kết nghiên cứu cấu trúc vật liệu 34 3.1.1 Kết phân tích dung dịch nano bạc 34 3.1.2 Kết nghiên cứu vật liệu than hoạt tính tẩm nano bạc 35 3.2 Khảo sát khả diệt khuẩn vật liệu Ag – AC .39 3.2.1 Khảo sát số lượng coliform mẫu nước đầu 39 3.2.2 Khảo sát khả diệt khuẩn vật liệu Ag – AC theo phương pháp tĩnh 40 3.2.3 Khảo sát khả diệt khuẩn vật liệu Ag – AC theo phương pháp động 43 3.2.4 Khảo sát khả diệt khuẩn vật liệu Ag – AC với nước sông Kim Ngưu – Hà Nội 51 KẾT LUẬN .55 TÀI LIỆU THAM KHẢO .56 MỞ ĐẦU Hiện tình trạng ô nhiễm môi trường nước nhiều nhà khoa học quan tâm nước nhu cầu thiết yếu sống Nước sinh hoạt bị ô nhiễm thường chứa chất có hại cho sức khỏe người lượng lớn vi sinh vật gây bệnh cho người động vật Coliform vi khuẩn thường gặp có số lượng lớn môi trường từ phân người động vật Coliform coi vi sinh vật thị cho mức độ ô nhiễm vi khuẩn nguồn nước Chính mà việc khử trùng nước cho mục đích sinh hoạt ăn uống thu hút nhà khoa học nghiên cứu sử dụng công nghệ có từ nghìn năm trước sử dụng kim loại bạc Bạc biết đến kim loại quý khả diệt khuẩn tốt Tuy nhiên vấn đề kinh tế rào cản không nhỏ để đưa vật liệu chứa bạc ứng dụng cách rộng rãi vào sống Công nghệ nano đời đưa ứng dụng bạc phát triển lên tầm cao Ở kích thước nano, bạc thể khả kháng khuẩn mạnh mà không gây ảnh hưởng tới người môi trường Cách sử dụng nano bạc làm chất diệt khuẩn đưa trực tiếp vào nước Phương pháp tốn so với cố định nano bạc lên vật liệu mang trình diệt khuẩn thực trình lọc nước Than hoạt tính từ lâu sử dụng để làm nước Tuy nhiên, ứng dụng than xử lý nước dừng lại việc loại bỏ hợp chất hữu số thành phần lơ lửng nước Trong năm gần đây, việc sử dụng than hoạt tính biến tính số ion kim loại thể rõ triển vọng ứng dụng để làm nước ngầm sử dụng sinh hoạt Với tham vọng tổng hợp vật liệu tận dụng khả hấp phụ than hoạt tính khả kháng khuẩn nano bạc, lựa chọn nano bạc tác nhân dùng để biến tính than hoạt tính Vì vậy, thực đề tài “Nghiên cứu cố định bạc kim loại kích thước nanomet bề mặt than hoạt tính làm vật liệu tiệt trùng nước” TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Bộ Y tế, Cục Y Tế dự phòng Môi trường (2009), Thông tư số: 04/2009/TT – BYT ngày 17/6/2009: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia chất lượng nước ăn uống QCVN 01:2009/BYT Vũ Đình Cự, Nguyễn Xuân Chánh (2004), Công nghệ nano điều khiển đến phân tử, NXB Khoa học kĩ thuật, Hà Nội, trang 31 - 36, trang 104 - 119 Nguyễn Lân Dũng, Nguyễn Đình Quyến, Phạm Văn Ty (2009), Vi sinh vật học, Nhà xuất Giáo dục, Hà Nội Nguyễn Thị Lan (2009), Nghiên cứu tổng hợp, tính chất khả ứng dụng vật liệu xúc tác bạc kim loại chất mang đồng oxit, Luận văn thạc sĩ khoa học, Đại học Khoa học Tự Nhiên - Đại học Quốc Gia Hà Nội La Vũ Thùy Linh (2010), “Công nghệ nano – Cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật kỉ 21”, Khoa học Ứng dụng, 12, Tp Hồ Chí Minh, trang 47 - 49 Hoàng Nhâm (2004), Hóa học nguyên tố, Tập II, Nhà xuất Đại học Quốc Gia Hà Nội Lê Minh Tâm (2007), Phương pháp phân tích số tiêu vi sinh thực phẩm, Giáo trình Đại học Công nghiệp thực phẩm Thành phố Hồ Chí Minh Trần Mai Thanh (2010), Nghiên cứu tổng hợp khả ứng dụng vật liệu xúc tác Ag/ZnO, Luận văn thạc sĩ khoa học, Đại học Khoa học Tự Nhiên - Đại học Quốc Gia Hà Nội Trịnh Thị Thanh, Trần Yêm, Đồng Kim Loan (2004), Giáo trình Công nghệ môi trường, Nhà xuất Đại học Quốc gia Hà Nội 10 Nguyễn Đình Triệu (2000), Các phương pháp phân tích vật lý hóa lý, Tập I, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội 56 11 Nguyễn Ngọc Tú (2009), Nghiên cứu gel nước thông minh nhạy pH lai nano bạc, Khóa luận tốt nghiệp đại học quy, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội 12 Nguyễn Trọng Uyển, Trần Hồng Côn, Đỗ Thị Thủy (2012), “Nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp phụ sở than hoạt tính nano titanđioxit ứng dụng xử lý môi trường”, Tạp chí Hóa học, T 50 (3), trang 286 - 289 Tiếng Anh 13 Bjørnar Jensen (2009), Modeling Trapping Mechanism for PCB Adsorption on Activated Carbon, Department of Physics and Technology University of Bergen, Norway 14 Boris Mahltig, Helfried Haufe, Kerstin Muschter, Anja Fischer, Young Hwan Kim, Emanuel Gutmann, Marianne Reibold, Dirk Carl Meyer,Torsten Textor, Chang Woo Kim and Young Soo Kang (2010), Silver Nanoparticles in SiO2 Microspheres – Preparation by Spray Drying and Use as Antimicrobial Agent, Scientific paper, 57 (12), pp 451 15 CRC Press LLC (1999), Environmental Engineers’ Handbook, England, Chapter 11 16 Dhermendra K Tiwari1, J Behari, P Sen (2008), “Time and dose-dependent antimicrobial potential of Ag nanoparticles synthesized by top-down approach”, Current Science, 95 No 5, pp 647 – 655 17 Jun Sung Kim, Eunye Kuk, Kyeong Nam Yu, Jong-Ho Kim, Sung Jin Park, Hu Jang Lee, So Hyun Kim, Young Kyung Park, Yong Ho Park, Cheol-Yong Hwang, Yong- Kwon Kim, Yoon-Sik Lee, Dae Hong Jeong, Myung-Haing Cho (2007), “Antimicrobial effects of silver nanoparticles”, Nanomedicine: Nanotechnology, Biology and Medicine, 3, pp 95 – 101 18 Lyle F Albright (2008), Albright's Chemical Engineering Handbook, London, England, Chapter 14 57 19 Nelson Durán, Priscyla D Marcato, Roseli De Conti, Oswaldo L Alves, Fabio T M Costa, Marcelo Brocchi (2010), “Potential use of Silver Nanoparticles on pathogenic bacteria, their toxicity and possible mechanisms of action”, J Braz Chem Soc, 21 No 6, pp 949 - 959 20 Pavel Dibrov, Judith Dzioba, Khoosheh K Gosink, Claudia C Hase (2002), “Chemiosmotic Mechanism of Antimicrobial Activity of Ag + in Vibrio cholerae”, Antimicrobial Agents and Chemotherapy, 46 No.8, pp 2668 - 2670 58