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.
Các khí nguyên liệu (benzen, không khí), khí đuổi (Nitơ) và khí sử dụng cho quá trình khử mẫu (Hydro) được cung cấp từ các bom khí riêng biệt. Trong quá trình bypass (phân tích nguyên liệu), khí nguyên liệu được dẫn theo đường ống không qua bộ phận phản ứng (đường chỉ 2 mũi tên) để thực hiện quá trình đo nguyên liệu bằng phương pháp sắc ký khí. Trong quá trình khử mẫu, khí hydro được dẫn qua bộ phận phản ứng (đường chỉ 1 mũi tên) để thực hiện quá trình khử mẫu. Trong quá trình phản ứng, các khí nguyên liệu được trộn với nhau trong bộ phận trộn (mixer) trước khi được dẫn vào ống phản ứng.
Các khí đầu ra được phân tích online bằng phương pháp sắc ký khí. Đường ống dẫn khí từ đầu ra của bộ phận phản ứng đến thiết bị đo sắc ký khí được bọc điện trở gia nhiệt, giúp đảm bảo khí sản phẩm không bị ngưng tụ trong đường ống
74
ra do chênh lệch nhiệt độ với bộ phận phản ứng.
Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý hệ thống phản ứng vi dòng
Trong bộ phận phản ứng, nhiệt độ của lò gia nhiệt được điều khiển bằng bộ điều khiển nhiệt độ. Nhiệt độ của bộ phận phản ứng được hiển thị qua can nhiệt được cắm trực tiếp vào xúc tác đặt trong bộ phận phản ứng. Các thông số thực nghiệm cụ thể của phản ứng oxi hóa hoàn toàn benzen gồm có:
- Tác nhân phản ứng: Benzen - Áp suất: áp suất thường - Lượng xúc tác: 100 mg
- Tỷ lệ khí nguyên liệu oxi/benzen: 15 - Nhiệt độ phản ứng: 100-500oC
75
- Phương pháp phân tích nguyên liệu và sản phẩm: Sắc ký khí (Detector dẫn nhiệt (TCD) để phát hiện khí sản phẩm CO2; Detector ion hóa ngọn lửa (FID) để phát hiện và định lượng các sản phẩm phụ hydrocacbon nếu có) - Các vật liệu sử dụng: Ag/ZSM-5; ZSM-5/SBA-15; Ag-Z5S15-KBMQ; Ag-Z5S15-BMQ; Ag-Z5S15-NH3, Ag/SBA-15.
- Trước khi chạy phản ứng, xúc tác được khử trong dòng H2 5% ở nhiệt độ 450oC
- Hiệu suất thu sản phẩm CO2 của phản ứng oxi hóa hoàn toàn (H, %) được tính toán theo công thức:
H = SCO2 thực tế
SCO2 100% . 100 (%)
Trong đó:
H = 100%: phản ứng oxi hóa xảy ra hoàn toàn.
SCO2 thực tế là lượng khí sản phẩm CO2 (diện tích píc) thu được trong quá trình phản ứng (xác định bằng sắc ký khí sử dụng detector TCD).
SCO2 100% là lượng khí sản phẩm CO2 (diện tích píc) cực đại trong trường hợp benzene bị oxi hóa hoàn toàn (xác định bằng sắc ký khí sử dụng detector TCD và FID).
- Độ chuyển hóa nguyên liệu Cbenzen của phản ứng oxi hóa hoàn toàn benzen được tính theo công thức:
Cbenzen = Sbenzen vào − Sbenzen ra
Sbenzen vào . 100 (%)
Trong đó:
Sbenzen-vào là lượng benzen (diện tích píc) đầu vào trước phản ứng, Sbenzen-ra là lượng benzen (diện tích píc) đầu ra sau phản ứng.
Sản phẩm của phản ứng được phân tích trên máy sắc ký khí IGC-120 FB của Pháp, cột Unibead có đường kính 2mm, detectơ ion hoá ngọn lửa (FID), dùng chế độ bơm bán tự động (bơm nguyên liệu). Kết quả được phân tích trên đầu ghi HITACHI D-10000, tại trường đại học Bách Khoa Hà Nội.
76
Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Kết quả chế tạo các vật liệu nano bạc/chất mang 3.1.1. Kết quả chế tạo vật liệu nano Ag/Than hoạt tính 3.1.1.1. Kết quả hoạt hóa than hoạt tính
Than hoạt tính được sử dụng là loại than hoạt tính gáo dừa, được cung cấp bởi công ty than Trà Bắc. Than hoạt tính Trà Bắc có diện tích bề mặt riêng đạt 1767,16 m2/g [108]. Kết quả đặc trưng vật liệu than hoạt tính cho thấy đây là vật liệu có diện tích bề mặt lớn, có thể hoạt hóa nhằm tạo ra các nhóm chức cacboxyl trên bề mặt, là cơ sở cho việc lựa chọn sử dụng làm vật liệu mang nano bạc.
Hình 3.1: Phổ hồng ngoại của các mẫu than hoạt tính xử lý bằng axit nitric (a) than hoạt tính ban đầu; (b) than hoạt tính xử lý bằng axit nitric 35% thể
77
Than hoạt tính sau quá trình xử lý hoạt hóa bằng axit nitric được đặc trưng bằng phương pháp phổ hồng ngoại. Phổ hồng ngoại của các mẫu hoạt hóa bằng axit nitric ở các nồng độ khác nhau được đưa ra trong hình 3.1.
Kết quả hoạt hóa mẫu than hoạt tính bằng axit nitric cho thấy sự biến đối khá rõ.Than hoạt tính trà bắc ban đầu có chứa nhóm C=O đặc trưng cho sự hiện diện của dạng xeton trên bề mặt, thể hiện ở píc tại 2300 cm-1 [109]. Nhóm chức này mất dần khi hoạt hóa than hoạt tính ở nồng độ axit nitric tăng dần. Cùng với sự mất dần của nhóm chức C=O dạng xeton là sự hình thành ngày càng rõ nét nhóm chức C=O dạng cacboxyl, thể hiện ở píc tại 1730 cm-1 [109]. Kết quả này chứng tỏ than hoạt tính đã được hoạt hóa bằng axit nitric hình thành các nhóm chức cacboxyl trên vật liệu, là cơ sở cho việc lưu giữ các hạt nano bạc.
3.1.1.2. Kết quả điều chế dung dịch chứa nano bạc
Hình thái, kích thước của các hạt nano bạc được phân tích bằng phương pháp TEM, được thể hiện trên hình 3.2.
Hình 3.2: Ảnh TEM của dung dịch chứa nano bạc
(a) Phương pháp khử hóa học thông thường; (b) Phương pháp khử hóa học kết hợp siêu âm
Các ảnh TEM thu được cho thấy các hạt nano bạc được điều chế bằng phương pháp khử hóa học có dạng hình khối cầu với kích thước không đồng đều (khoảng từ 10-40 nm) và phân bố co cụm (hình 3.2a). Ảnh TEM của mẫu dung
78
dịch keo nano bạc điều chế bằng phương pháp khử hóa học kết hợp siêu âm được thể hiện trên hình 3.2b cho thấy sự tồn tại các hạt nano bạc có kích thước khá đồng đều, trung bình khoảng 10-20 nm. Kết quả này cho thấy phương pháp khử hóa học kết hợp siêu âm có ưu điểm hơn so với phương pháp khử hóa học thông thường. Nhờ có sóng siêu âm, các hạt nano bạc hình thành trong quá trình khử không bị co cụm.
Dung dịch nano bạc tổng hợp bằng phương pháp khử hóa học kết hợp siêu âm được đặc trưng sự hiện diện của các hạt nano bạc bằng phương pháp UV-vis, thể hiện trên hình 3.3.
Kết quả phổ UV-vis của mẫu dung dịch chứa nano bạc cho một píc duy nhất ở khoảng 400 nm đặc trưng cho sự hiện diện của các hạt bạc ở kích thước nano trong dung dịch [110]. Dung dịch chứa nano bạc được tổng hợp bằng phương pháp khử hóa học kết hợp siêu âm được lựa chọn sử dụng cho quá trình đưa bạc lên vật liệu mang than hoạt tính.
Hình 3.3: Kết quả phân tích UV-vis của dung dịch nano bạc
3.1.1.3. Kết quả đặc trưng vật liệu nano Ag/Than hoạt tính
79
lượng 0,1%; 0,3%; 0,5%; 0,7% và 1% lần lượt được ký hiệu là TAg1, TAg2, TAg3, TAg4 và TAg5. Sự có mặt của nano bạc trên vật liệu nano Ag/Than hoạt tính được đặc trưng bằng phương pháp XRD. Giản đồ XRD của các mẫu Ag/Than hoạt tính ở các hàm lượng nano bạc khác nhau được đưa ra trong hình 3.4. Kết quả thu được từ các giản đồ XRD của các vật liệu nano Ag/Than hoạt tính cho thấy xuất hiện các píc tại 2θ = 38,20; 44,10; 64,40 đặc trưng cho sự hiện diện của bạc kim loại [111]. Cường độ các píc ở các giản đồ từ hình 3.4a ÷3.4e tăng dần theo sự tăng hàm lượng bạc kim loại trong vật liệu.
Hàm lượng bạc trong các mẫu vật liệu nano Ag/Than hoạt tính được phân tích bằng phương pháp AAS. Kết quả phân tích được đưa ra trong bảng 3.1 cho thấy hàm lượng bạc thực tế trong vật liệu sau quá trình tẩm đạt gần như hàm lượng theo tính toán lý thuyết. Kết quả này chứng tỏ được ưu điểm của quá trình tẩm có thể tạo ra được vật liệu có hàm lượng bạc theo ý muốn.
Hình 3.4: Giản đồ XRD của các mẫu Ag/Than hoạt tính (a) TAg1; (b) TAg2; (c) TAg3; (d) TAg4; (e) TAg5
80
Bảng 3.1: Kết quả phân tích hàm lượng bạc trên các mẫu Ag/Than hoạt tính
Mẫu vật liệu Hàm lượng bạc theo tính toán, % khối lượng
Hàm lượng bạc theo AAS, %