2.1.5.1. Tổng hợp chất mang ZSM-5/SBA-15 Chuẩn bị các dung dịch
Dung dịch A: Hòa tan Na2SiO3 trong nước cất;
Dung dịch B: Hòa tan Al2(SO4)3 trong dung dịch H2SO4 0,45 M; Dung dịch C: Hòa tan TPABr trong nước cất;
Dung dịch D: Hòa tan Na2SiO3 trong nước cất;
65 Dung dịch F: Dung dịch NH4OH.
Phương pháp tổng hợp
Vật liệu ZSM-5/SBA-15 được nghiên cứu tổng hợp bằng các phương pháp khác nhau và khảo sát ở các điều kiện khác nhau nhằm tối ưu hóa quy trình tổng hợp vật liệu.
* Tổng hợp chất mang ZSM-5/SBA-15 bằng phương pháp sử dụng chất tạo cấu trúc TPABr
Vật liệu ZSM-5/SBA-15 có tỷ số mol Si/Al = 50, được tổng hợp theo quy trình gồm 3 bước xử lý thủy nhiệt bao gồm: tổng hợp các tinh thể vi mao quản (bước 1), bổ sung tiền chất (bước 2) và meso hóa tạo vật liệu ZSM-5/SBA-15 (bước 3). Các thông số nhiệt độ và thời gian được thay đổi theo các thông tin đã biết về tổng hợp các vật liệu ZSM-5 và SBA-15.
Trong bước 1, các tinh thể vi mao quản được tổng hợp bằng cách tạo một hỗn hợp gel đồng nhất bao gồm các dung dịch A, B và C. Gel hình thành được làm già có khuấy ở nhiệt độ thường trong 24 giờ và kết tinh ở nhiệt độ thay đổi theo các giá trị 150oC và 170oC trong thời gian thay đổi theo các giá trị 4 giờ và 8 giờ.
Ở bước 2, gel thu được từ bước 1 tiếp tục được bổ sung dung dịch D sao cho vật liệu thu được có tỷ số Si/Al = 50 (phần mol), khuấy đồng nhất và xử lý nhiệt trong điều kiện khuấy ở các giá trị nhiệt độ thay đổi 100oC và 150oC, trong thời gian 6 giờ.
Trong bước 3, vật liệu ZSM-5/SBA-15 được tổng hợp bằng cách đưa từ từ gel thu được ở bước 2 vào dung dịch E, khuấy đồng nhất và xử lý nhiệt gel thu được tại các giá trị nhiệt độ thay đổi tại 90oC, 100oC và 150oC trong 24 giờ. Sản
phẩm rắn được lọc, rửa đến pH bằng 7, sấy khô ở 100oC và nung ở 550oC trong 5 giờ để loại bỏ hoàn toàn các CTCT TPABr và P123.
* Tổng hợp chất mang ZSM-5/SBA-15 bằng phương pháp gây mầm
Bên cạnh phương pháp sử dụng CTCT TPABr có giá thành cao, các tinh thể vi mao quản cũng được nghiên cứu tổng hợp bằng phương pháp gây mầm sử dụng zeolit ZSM-5 nhằm thay thế CTCT TPABr.
66
Hình 2.5: Sơ đồ quy trình tổng hợp vật liệu ZSM-5/SBA-15
Vật liệu ZSM-5/SBA-15 được nghiên cứu tổng hợp bằng phương pháp gây mầm sử dụng mầm zeolit ZSM-5 được tổng hợp theo quy trình hoàn toàn tương tự như quy trình sử dụng CTCT TPABr. Điểm khác biệt giữa hai quy trình là CTCT TPABr được thay thế bằng mầm zeolit ZSM-5 với lượng sử dụng được khảo sát chiếm 5% và 10% so với khối lượng SiO2 sử dụng. Sơ đồ quá trình tổng hợp mẫu ZSM-5 được đưa ra trong hình 2.5.
2.1.5.2. Chức năng hóa bề mặt vật liệu ZSM-5/SBA-15
Để chức năng hóa bề mặt vật liệu ZSM-5/SBA-15, vật liệu cần phải trải qua các công đoạn bao gồm:
- Loại bỏ CTCT
67
Loại bỏ chất tạo cấu trúc
Vật liệu đa mao quản AS-Z5S15 được loại bỏ CTCT bằng phương pháp sử dụng tác nhân oxi hóa H2O2: Vật liệu AS-Z5S15 được đưa vào dung dịch H2O2 30%, chuyển hỗn hợp vào bình teflon đặt trong thiết bị autoclave, khuấy ở 100oC trong 24 giờ. Sản phẩm lấy ra lọc, rửa lại bằng nước cất, sau đó rửa bằng cồn và sấy qua đêm ở 100oC trong chân không. Mẫu ZSM-5/SBA-15 đã loại bỏ CTCT được ký hiệu là PR-Z5S15.
Chức năng hóa vật liệu
Vật liệu PR-Z5S15 được đưa vào dung dịch chứa APTES đã hòa tan trong dung môi toluen khan. Hỗn hợp APTES và toluen được siêu âm trong bể rung siêu âm 30 phút, ở nhiệt độ thường. Quá trình biến tính được thực hiện ở 90oC trong 24 giờ với điều kiện hồi lưu liên tục, có khuấy và thổi khí Argon để tránh hiện tượng hấp thụ hơi nước từ không khí ảnh hưởng đến quá trình biến tính. Mẫu sau khi biến tính được lọc, rửa lại bằng toluen, sấy mẫu trong điều kiện chân không ở 100oC, trong vòng 12 giờ. Mẫu thu được sau quá trình chức năng hóa được ký hiệu là APTES-Z5S15.
2.1.5.3. Chế tạo vật liệu nano Ag-ZSM-5/SBA-15
Như đã trình bày trong phần tổng quan, vật liệu nano Ag-ZSM-5/SBA-15 (ký hiệu là Ag-Z5S15) được nghiên cứu chế tạo bằng ba phương pháp khác nhau gồm có phương pháp không bịt mao quản, phương pháp bịt mao quản và phương
pháp thủy nhiệt sử dụng NH3. Các phương pháp chế tạo vật liệu nano Ag-ZSM-5/SBA-15 sẽ được trình bày cụ thể trong các phần dưới đây.
* Chế tạo vật liệu bằng phương pháp phương pháp không bịt mao quản
Lấy một lượng xác định APTES-Z5S15 đưa vào dung dịch AgNO3 10-3 M, khuấy dung dịch trong bóng tối, ở nhiệt độ thường trong 24 giờ để thực hiện quá trình trao đổi. Sản phẩm thu được sau khi trao đổi với AgNO3 được rửa một vài lần với nước để loại bỏ AgNO3 dư (thử nước rửa thu được bằng axit HCl cho đến khi không thấy xuất hiện kết tủa). Sấy khô sản phẩm ở nhiệt độ thường trong điều kiện chân không.
68
vào nước cất. Pha dung dịch khử 0,05 M bằng cách lấy NaBH4 hòa tan trong nước cất. Lượng NaBH4 được tính toán dư gấp hai lần lượng cần thiết cho quá trình khử
hoàn toàn lượng bạc ion. Nhỏ từ từ dung dịch khử NaBH4 vào dung dịch chứa Ag-Z5S15 trong điều kiện khuấy liên tục trong bóng tối. Sau khi nhỏ xong, tiếp
tục khuấy tiếp dung dịch trong 24 giờ trong bóng tối để quá trình khử bạc ion xảy ra hoàn toàn trong hệ mao quản trung bình của vật liệu. Sản phẩm được lọc rửa
nhiều lần bằng nước để loại bỏ NaBH4 dư, sấy khô ở 60oC để thu được mẫu Ag-ZSM-5/SBA-15 chế tạo theo phương pháp không bịt mao quản, ký hiệu là mẫu
Ag-Z5S15-KBMQ.
* Chế tạo vật liệu bằng phương pháp bịt mao quản
Mẫu sử dụng cho quá trình đưa bạc lên vật liệu bằng phương pháp bịt mao quản là mẫu AS-Z5S15 không trải qua quá trình loại bỏ CTCT. Lúc này, hệ thống mao quản của mẫu vẫn bị bịt kín bởi các CTCT. Mẫu được thực hiện ngay quá trình chức năng hóa bằng APTES. Sau khi biến tính APTES bạc được đưa lên mẫu theo phương pháp bịt mao quản với quy trình tương tự như đã thực hiện đối với mẫu Ag-Z5S15-KBMQ.Mẫu Ag-Z5S15 chế tạo bằng phương pháp bịt mao quản được ký hiệu là Ag-Z5S15-BMQ.
* Chế tạo vật liệu bằng phương pháp thủy nhiệt sử dụng NH3
Mẫu Ag-Z5S15 chế tạo bằng phương pháp sử dụng NH3 được thực hiện bằng cách hòa tan muối AgNO3 vào dung dịch NH3 nồng độ 1 M. Vật liệu mang PR-Z5S15 được phân tán vào dung dịch trên và khuấy trong vòng 24 giờ ở nhiệt độ thường để thực hiện quá trình đưa bạc lên vật liệu. Hệ được đặt trong thùng giấy để ngăn ánh sang trong suốt quá trình. Mẫu rắn được lọc bằng giấy lọc, rửa bạc dư, sấy ở 40oC trong 24 giờ và khử bằng dung dịch NaBH4 0,05 M trong điều kiện có khuấy, thời gian 24 giờ để quá trình khử xảy ra hoàn toàn trong hệ vi mao quản của vật liệu. Mẫu vật liệu nano Ag-Z5S15 chế tạo bằng phương pháp sử dụng
NH3 được ký hiệu là Ag-Z5S15-NH3. Sơ đồ chung quy trình chế tạo các mẫu Ag-Z5S15 theo các phương pháp được đưa ra trong hình 2.6.
69
Hình 2.6: Quy trình chế tạo các mẫu Ag-Z5S15
2.1.6. Các phương pháp đặc trưng vật liệu 2.1.6.1. Phương pháp hồng ngoại 2.1.6.1. Phương pháp hồng ngoại
Phổ hồng ngoại (IR) được ghi trên máy Impact-410 (Đức), trong vùng 400-4000 cm-1 ở nhiệt độ phòng, theo kỹ thuật ép viên với KBr theo tỷ lệ 1 mg
mẫu/100 mg KBr.
2.1.6.2. Phương pháp nhiễu xạ tia X
Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen (XRD) được ghi trên máy D8-Advance và Siemen D5005, ống phát tia rơnghen làm bằng Cu với bước sóng kα=1,5406 Å, điện áp 30kV, cường độ 25 mA, góc quét 2 thay đổi từ 0-100 và 5-500, tốc độ quét 20/phút tại nhiệt độ phòng (25oC).
2.1.6.3. Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua
70
vệ sinh dịch tễ trung ương. Ảnh TEM được ghi trên máy Philips Tecnai-10 microscope, độ phân giải kích thước nguyên tử, điện áp 100 KV. Mẫu được đưa lên lưới đồng có phủ màng cacbon và tiến hành phân tích.
2.1.6.4. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét
Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) được đo tại trên máy Jeol JSM-7500F tại viện vệ sinh dịch tễ trung ương. Kỹ thuật chuẩn bị mẫu để ghi ảnh bao gồm phân tán mẫu bằng etanol, sấy khô, phủ một lớp mẫu lên giá đỡ và tiến hành phân tích.
2.1.6.5. Phương pháp đo bề mặt riêng và phân bố mao quản
Các mẫu được tiến hành đo bề mặt riêng và phân bố mao quản (BET) ở 770K trên thiết bị Micromeritics ASAP 2010, tại trường đại học Bách Khoa Hà Nội. Mẫu trước hết được loại bỏ khí ở điều kiện chân không tại 593K trong vài giờ. Kích thước mao quản được xác định bởi phương pháp Horvath–Kawazoe [107]. Bề mặt riêng được xác định sử dụng phương trình BET ở vùng áp suất tương đối P/Po thấp (0,05≤P/Po≤0,25).
5.1.6. Phương pháp cộng hưởng từ hạt nhân rắn với 27Al
Các mẫu được đo phổ cộng hưởng từ hạt nhân rắn (27Al - MAS NMR)trên máy Brucker MSL 400 đối với 27Al ở tần số 104,3 MHz, tại đại học Stuttgart, Đức.
2.1.6.6. Phương pháp phân tích nhiệt vi sai
Các mẫu được phân tích bằng phương pháp phân hủy nhiệt theo chương trình nhiệt độ trên thiết bị Shimadzu, DTG-60/60H tại trường Đại học Sư Phạm Hà Nội, với tốc độ gia nhiệt 10oC/phút, tốc độ thổi không khí 50 ml/phút.
2.1.6.7. Phương pháp đo phổ hấp thụ tử ngoại-khả kiến
Các mẫu được đo phổ hấp thụ tử ngoại khả kiến UV-vis đối với mẫu rắn trên thiết bị UV-VIS Spectro-photometer-Agilent 8453, HP Agilent, USA, tại trường Đại học Sư Phạm Hà Nội.
2.1.6.8. Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử
Các mẫu được tiến hành phân tích trên máy quang phổ hấp thụ nguyên tử iCE 3300 AA Spectrometer (AAS), tại Viện Hóa học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
71
2.1.6.9. Phương pháp phổ quang điện tử tia X
Các mẫu được tiến hành phân tích bằng phương pháp phổ quang điện tử tia X (XPS) trên máy ThermoFisher ESCALAB 220iXL tại Viện xúc tác Leibniz, Đức.
2.1.6.10. Phương pháp hấp phụ xung CO
Quá trình phân tích mẫu bằng phương pháp hấp phụ xung CO được thực hiện trên máy Autochem II 2920 V3.03, tại trường đại học Bách Khoa Hà Nội.
2.1.6.11. Phương pháp giải hấp theo chương trình nhiệt độ (TPD-NH3)
Quá trình phân tích mẫu bằng phương pháp TPD-NH3 được thực hiện trên máy AutoChem II 2920, Micromeritics Instrument Corporation, tại trường đại học Bách Khoa Hà Nội.
2.2. Đánh giá hoạt tính của vật liệu nano bạc/chất mang
2.2.1. Đánh giá khả năng diệt khuẩn E.coli của các vật liệu nano bạc/chất mang
Phương pháp đánh giá khả năng diệt khuẩn E.coli của các vật liệu được thực hiện theo quy trình phân tích chuẩn của phòng Hóa sinh ứng dụng, Viện Hóa học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
2.2.1.1. Khả năng diệt khuẩn E.coli theo hàm lượng bạc
* Dụng cụ, thiết bị và hóa chất
Thiết bị chính
Các thiết bị chính phục vụ cho thực nghiệm đánh giá khả năng khử khuẩn
E.coli của các vật liệu bao gồm: nồi hấp tiệt trùng, nồi cách thuỷ, tủ cấy nuôi ủ vi
sinh 50oC, tủ sấy, cân điện tử, máy lắc (vortex).
Dụng cụ
Các dụng cụ sử dụng cho thực nghiệm bao gồm: đĩa peptri, ống nghiệm, pipet, bình tam giác, các loại que cấy, que trang, đèn cồn, bông thấm, không thấm,…
Môi trường
Môi trường nuôi cấy khuẩn E.coli được sử dụng cho thực nghiệm là
72
Vật liệu và sinh phẩm
- Vật liệu thử nghiệm: Các loại Ag/zeolit, Ag/zeolit/MQTB, Ag/Than hoạt tính, Ag/Sứ xốp.
- Chủng khuẩn E.coli ATTC 25922.
* Bố trí thí nghiệm
- Pha chế môi trường
Môi trường sử dụng cho mục đính nghiên cứu là môi trường đông khô chromocult được nhập khẩu trực tiếp từ hãng Merck. Cách pha chế như sau: Cân một lượng chính xác môi trường trên và cho vào bình tam giác vô trùng, bổ sung nước cất vô trùng. Đun tan bằng nồi cách thuỷ ở 100 – 110oC. Duy trì ở nhiệt độ 45oC trước khi đưa vào quá trình phân tích.
- Thu sinh khối E.coli phục vụ cho thí nghiệm
Chủng gốc E.coli ATCC 25922 ở dạng đông khô được hoà tan vào dung
dịch tăng sinh kèm theo. Dùng que trang cấy ria chủng gốc E.coli thành 5 đường lên môi trường Chromocult. Sau 24 giờ nuôi cấy ở 37oC dùng que trang gạt sinh khối trên bề mặt môi trường cho vào bình tam giác đựng sẵn 100 ml nước cất vô trùng. Lượng sinh khối thu được khoảng 106 - 108 cfu/ml.
- Các bước tiến hành thí nghiệm
Cân 0,1 gam vật liệu cho vào ống nghiệm vô trùng có sẵn 10ml nước cất vô trùng. Dùng máy lắc, lắc đều trong 30 giây. Dùng micropipet hút 1ml dịch cho vào 49ml nước cất vô trùng, lắc đều. Dùng micropipet hút 1ml dịch trên cho vào ống nghiệm vô trùng. Bổ sung 0,1 ml dịch canh trường E.coli (ATCC 25922) vào để trong 10 phút. Sau 10 phút bổ sung tiếp vào hỗn hợp trên 5 ml nước muối để trung hoà. Phân tích lượng vi sinh vật còn lại. Thí nghiệm trên mỗi vật liệu được tiến hành 3 lần cùng lúc, kết quả thu được là giá trị trung bình của các số liệu thu được có độ sai khác dưới 5%.
2.2.1.2. Khả năng diệt khuẩn E.coli theo thời gian tiếp xúc
Các thông tin về dụng cụ, thiết bị và hoá chất, bố trí thí nghiệm cũng như các bước tiến hành thí nghiệm được sử dụng trong thí nghiệm đánh giá khả năng diệt khuẩn E.coli của các vật liệu nano bạc/chất mang theo thời gian tiếp xúc hoàn
73
toàn tương tự như với thí nghiệm đánh giá khả năng diệt khuẩn E.coli của các vật liệu nano bạc/chất mang theo hàm lượng bạc. Tuy nhiên, thời gian tiếp xúc giữa vi khuẩn E.coli và vật liệu được khảo sát theo các giá trị khác nhau gồm có 10 phút, 20 phút, 30 phút và 60 phút. Phân tích nồng độ vi khuẩn còn lại ở từng thời gian này. Thí nghiệm trên mỗi vật liệu được tiến hành 3 lần cùng lúc, kết quả thu được là giá trị trung bình của các số liệu thu được có độ sai khác dưới 5%.
2.2.1.3. Phương pháp phân tích nồng độ khuẩn
Nồng độ khuẩn của dung dịch thu được sau khi tiếp xúc với các vật liệu nano bạc/chất mang được phân tích bằng phương pháp đếm khuẩn lạc. Phương pháp đếm khuẩn lạc được thực hiện theo quy trình phân tích chuẩn của phòng Hóa sinh ứng dụng, Viện Hóa học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
2.2.2. Đánh giá khả năng xúc tác của các vật liệu nano bạc/chất mang cho phản ứng oxi hóa hoàn toàn benzen phản ứng oxi hóa hoàn toàn benzen
Các vật liệu chứa nano bạc đã lựa chọn được đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố về cấu trúc và các thông số quá trình đối với khả năng xúc tác cho phản ứng oxi hóa hoàn benzen, được thực hiện trên hệ phản ứng vi dòng tầng cố định (hệ được xây dựng thông qua nghị định thư hợp tác Việt-Bỉ bởi các thiết bị hiện đại cung cấp từ hãng Fisher Scientific, Anh) tại trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Sơ đồ nguyên lý hệ thống phản ứng vi dòng được đưa ra trong hình 2.7.