Polyguanidin cĩ tính tan tốt trong mơi trường nước, do đĩ để cải thiện độ bền chống rửa trơi của vật liệu nanocomposit Fe3O4/PHMG cần phải biến tính, tăng trọng lượng phân tử của PHMG. Trong luận án này PHMG được biến tính với
epichlohydrin.
3.3.3.1. Biến tính PHMG với epichlohydrin
Quá trình biến tính PHMG với epichlohydrin (Ep) được thực hiện trong mơi trường nước tại 60oC (mục 2.2.3). Tỷ lệ giữa PHMG và Ep được khảo sát, lựa chọn thơng qua kết quả đo độ nhớt của dung dịch. Hình 3.34 trình bày kết quả xác định độ nhớt động lực theo hàm lượng Ep.
dL /g Đ ộ nh ớt , Lượng Ep, % kl
Hình 3.34. Sự phụ thuộc của độ nhớt động lực của PHMG biến tính vào hàm lượng epichlohydrin.
Từ hình 3.34, ta thấy rõ rằng độ nhớt của PHMG tăng khi hàm lượng Ep tăng, tới tỷ lệ Ep ở 30% độ nhớt hầu như khơng tăng nữa. Với hàm lượng Ep ở 25% kl. thì độ nhớt của PHMG biến tính là 0,074 dL/g. Khi lượng Ep tăng lên đến 30%, độ nhớt tăng lên khơng đáng kể (0,0745 dL/g). Tỷ lệ Ep 25% được lựa chọn để chế tạo nanocomposit.
Cấu trúc hĩa học của PHMG biến tính Ep được phân tích bằng phổ hồng ngoại và trình bày trên hình 3.35. PHMG và Ep cũng được phân tích đồng thời để đối chứng.
Hình 3.35. Phổ hồng ngoại của epichlohydrin (a), PHMG (b), và PHMG biến tính với epichlohydrin (c).
Trên phổ hồng ngoại của Ep (đường a) xuất hiện các píc hấp thụ đặc trưng tại số sĩng 962 cm-1 đến 925 cm-1 đặc trưng cho dao động biến dạng đối xứng của nhĩm epoxy trong phân tử Ep [96]. Phổ hồng ngoại của PHMG biến tính với Ep (đường c), khơng thấy xuất hiện các peak này, chứng tỏ đã cĩ sự mở vịng của nhĩm epoxy. Ngồi ra trên phổ của PHMG-Ep cũng xuất hiện các peak mới tại số sĩng 1429 và 1120 cm-1, ứng với dao động của liên kết ankyl halogenua CH2-Cl và rượu bậc hai CH-OH [97]. Qua phân tích phổ hồng ngoại cho thấy PHMG đã phản ứng với Ep thơng qua phản ứng giữa các nhĩm amin và epoxy theo sơ đồ trên hình 3.36.
Hình 3.36: Phản ứng giữa PHMG và epichlohydrin.
3.3.3.2. Tổng hợp nanocomposit Fe3O4/PHMG-Ep
Quá trình tổng hợp nanocomposit Fe3O4/PHMG-Ep được trình bày trong mục 2.2.3. Fe3O4 nano được phân tán trong dung dịch PHMG, cho thêm Ep, khuấy trong 6 giờ ở 600C. Các hạt nanocomposit thu hồi bằng nam châm, rửa sạch và sấy khơ. Sau đĩ đặc trưng tính chất bằng các phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng (TGA), phổ hồng ngoại (FTIR), kính hiển vi điện tử quét (FESEM), phổ UV-Vis, từ kế mẫu rung (VSM), và thử nghiệm khả năng kháng khuẩn.
- Kết quả phân tích nhiệt trọng lượng TGA
Hàm lượng polyme trong thành phần nanocomposit Fe3O4/PHMG-Ep được xác định bằng phương pháp TGA và trình bày trong hình 3.37.
(% ) lư ợ ng Kh ố i a c b 100 200 300 400 500 600 Nhiệt độ (oC)
Hình 3.37. Giản đồ TGA của Fe3O4 (a), nanocomposit Fe3O4/ PHMG (b) và Fe3O4/ PHMG-Ep (c).
Các mẫu nanocomposit cĩ chứa polyme suy giảm khối lượng rõ nét bắt đầu từ khoảng 250°C, liên quan đến quá trình phân hủy của các polyme PHMG và PHMG- Ep. Từ kết quả TGA ở hình 3.37 cĩ thể xác định được hàm lượng polyme trong thành phần nanocomposit Fe3O4/PHMG là 12,5% và Fe3O4/PHMG-Ep là 11,1%.
Vậy lượng PHMG biến tính Ep bám lên Fe3O4 ít hơn trường hợp khơng biến tính, cĩ thể do trong trường hợp này phân tử polyme cồng kềnh hơn.
- Kết quả phân tích phổ hồng ngoại
Cấu trúc hĩa học của nanocomposit Fe3O4/PHMG-Ep được xác định bằng phổ hồng ngoại, kết quả được trình bày trong hình 3.38. Phổ hồng ngoại của vật liệu thể hiện chủ yếu là các peak hấp phụ đặc trưng của Fe3O4: peak tại số sĩng 573 cm- 1
tương ứng dao động hĩa trị của liên kết Fe – O của phân tử Fe3O4, peak hấp thụ tại số sĩng 3446 và 1634 cm-1 tương ứng với dao động hĩa trị và dao động biến dạng của nhĩm OH-. Ngồi ra ta cũng quan sát được các peak hấp thụ đặc trưng của PHMG với cường độ yếu tại số sĩng 1467, 2930 và 2857 cm-1, do hàm lượng PHMG chiếm tỷ lệ nhỏ trong thành phần nanocomposit.
Hình 3.38. Phổ FTIR của PHMG (a) và nanocomposit Fe3O4/PHMG-Ep (b).
- Kêt quả phân tích hình thái cấu trúc
Sử dụng phương pháp hiển vi điện tử quét xạ trường FESEM để xác định hình thái bề mặt và kích thước hạt của các vật liệu nanocomposit Fe3O4/PHMG-Ep, kết quả được trình bày trong hình 3.39. Các hạt nanocomposit Fe3O4/PHMG-Ep cĩ
hình thái tương tự vật liệu Fe3O4/PHMG (hình 3.31), kích thước khoảng 20-40 nm và khơng bị kết tụ với nhau.
Hình 3.39. Ảnh FESEM của nanocomposit Fe3O4/PHMG–Ep.
- Kết quả xác định tính chất từ
Phương pháp từ kế mẫu rung đã được sử dụng để khảo sát tính chất từ của vật liệu Fe3O4 và nanocomposit Fe3O4/PHMG–Ep. Kết quả được trình bày trên hình 3.40.
Hình 3.40. Đường cong từ hĩa của hạt Fe3O4 và Fe3O4/PHMG-Ep.
Trong hình 3.40, ta thấy nanocomposit Fe3O4/PHMG-Ep cĩ tính siêu thuận từ, giá trị Ms giảm xuống thấp hơn Fe3O4 cịn 62 emu/g, do cĩ mặt PHMG-Ep trong thành phần vật liệu. Tuy nhiên đây là giá trị cao, vật liệu Fe3O4/PHMG-Ep cĩ thể dễ dàng tách loại khi áp đặt một từ trường ngồi.
- Kết quả khảo sát khả năng kháng khuẩn
Khả năng kháng khuẩn của Fe3O4/PHMG-Ep được khảo sát với vi khuẩn
E.coli bằng phương pháp đục lỗ thạch. Hình 3.41 và bảng 3.14 trình bày kết quả xác định vịng vơ khuẩn của vật liệu nanocomposit với các nồng độ 0,5; 1,7 và 5,0 mg/mL.
Hình 3.41. Ảnh thử nghiệm đục lỗ thạch với E.coli của Fe3O4/PHMG-Ep với các nồng độ: (1) 5; (2) 1,7 và (3) 0,5 mg/mL.
Bảng 3.14. Đường kính vịng vơ khuẩn của Fe3O4/PHMG-Ep với E.coli. STT
1 2 3
tương đương vật liệu khơng biến tính, mặc dù hàm lượng PHMG-Ep trong nanocomposit là 11,1% và mẫu khơng biến tính là 12,5%.
3.3.3.3. Khảo sát sự tan nhả PHMG và khả năng ứng dụng khử trùng nước
- Kết quả khảo sát sự tan nhả PHMG từ nanocomposit
Độ bền chống rửa trơi của vật liệu nanocomposit được khảo sát bằng cách xác định lượng PHMG tan nhả ra mơi trường nước (mục 2.2.3). Nồng độ PHMG trong nước được xác định bằng phương pháp phân tích phổ UV-Vis. Hình 3.42 trình bày phổ UV-vis thu được và đường chuẩn xác định nồng độ PHMG. Ta thấy phương trình đường chuẩn y = 0,022x + 0,4117 với độ tin cậy khá cao, hệ số hồi quy R2 = 0,9900.
A
Hình 3.42. Xây dựng đường chuẩn phân tích PHMG.
Kết quả xác định lượng PHMG tan nhả theo thời gian từ nanocomposit Fe3O4/PHMG và Fe3O4/PHMG-Ep được trình bày trên hình 3.43.
Hình 3.43. Lượng PHMG tan nhả theo thời gian từ vật liệu nanocomposit. Các kết quả trình bày trên hình 3.43 đã chứng tỏ Ep cĩ tác dụng cải thiện rõ rệt độ bền chống rửa trơi của vật liệu. Với mẫu Fe3O4/PHMG khơng biến tính, PHMG
tan ra rất nhanh, chỉ sau khoảng 10 phút đã đạt ∼90%. Trong khi đĩ mẫu biến tính phải sau 2 giờ lượng PHMG tan ra mới đạt ∼80%.
- Kết quả khảo sát khả năng ứng dụng khử trùng nước
Hoạt tính kháng khuẩn và khả năng thu hồi, tái sử dụng của vật liệu
nanocomposit Fe3O4/PHMG biến tính và khơng biến tính với Ep được khảo sát với
vi khuẩn đại diện E.coli, theo phương pháp tiếp xúc trực tiếp. Điều kiện thử nghiệm được mơ tả cụ thể trong phần 2.2.3, mật độ E.coli ban đầu là ∼7,7.105 CFU/mL, hàm lượng vật liệu khử khuẩn là 2 ppm, thời gian tiếp xúc 5 phút. Sau khi xử lý, vật liệu nanocomposit được thu hồi bằng nam châm và tiếp tục sử dụng để xử lý lần thứ
2 và lần thứ 3. Kết quả xác định mật độ vi khuẩn sau xử lý và hiệu lực kháng khuẩn trình bày trên bảng 3.15 và hình 3.44.
Bảng 3.15. Kết quả diệt khuẩn E. Coli bằng Fe3O4/PHMG và Fe3O4/PHMG-Ep.
Hình 3.44 Các mẫu xác định mật độ E.coli trước và sau khi xử lý bằng vật liệu nanocomposit Fe3O4/PHMG biến tính và khơng biến tính với Ep.
Hình 3.44. Ảnh chụp kết quả xác định mật độ E.coli sau khi xử lý bằng Fe3O4/PHMG nồng độ 2ppm, thời gian tiếp xúc 5 phút:
(a) Mẫu đối chứng, độ pha lỗng 106
(b) Mẫu xử lý lần thứ nhất, độ pha lỗng 100
(c) Mẫu xử lý lần thứ 2, độ pha lỗng 102
(d) Mẫu xử lý lần thứ 3, độ pha lỗng 106
Kết quả thử nghiệm cho thấy vật liệu nanocomposit cĩ hoạt tính kháng khuẩn rất mạnh, chỉ với nồng độ 2 ppm, sau 5 phút tiếp xúc đã diệt được tồn bộ vi khuẩn
E.coli mật độ đầu ∼7,7.105 CFU/mL. Kết quả thử nghiệm lần 2 xử lý bằng Fe3O4/ PHMG mật độ E.coli giảm cịn 6200 CFU/mL, lần thứ 3 E.coli cịn rất nhiều, tới 1,4.105 CFU/mL. Trong khí đĩ vật liệu biến tính Fe3O4/PHMG-Ep cĩ độ bền cao
hơn rõ rệt: lần thứ 2 diệt được hầu hết vi khuẩn (chỉ cịn 7 CFU/mL) và lần sử dụng thứ 3 cũng chỉ cịn 45 CFU/mL, hiệu lực diệt khuẩn của 2 lần tái sử dụng vẫn đạt 100%. Kết quả này tương đồng với kết quả khảo sát sự tan nhả của PHMG từ nanocomposit, Fe3O4/PHMG sau 10 phút đã nhả hết lượng polyme kháng khuẩn bám trên sắt từ, Trong khi đĩ tốc độ nhả PHMG từ vật liệu biến tính Fe3O4/PHMG- Ep chậm hơn rất nhiều.
Hình 3.45. Ảnh chụp kết quả xác định mật độ E.coli sau khi xử lý bằng vật liệu Fe3O4/PHMG-Ep nồng độ 2ppm, thời gian tiếp xúc 5 phút:
(a) Mẫu đối chứng, độ pha lỗng 106
(b) Mẫu xử lý lần thứ nhất, độ pha lỗng 100
(c) Mẫu xử lý lần thứ 2, độ pha lỗng 100
(d) Mẫu xử lý lần thứ 3, độ pha lỗng 100
3.3.4. Tổng hợp vật liệu nanocomposit dạng hạt Fe3O4-alginat/ PHMG
3.3.4.1.Tổng hợp hạt nanocomposit Fe3O4-alginat/PHMG
Hạt nanocomposit Fe3O4-alginat được chế tạo như mơ tả ở mục 2.2.3. Cho hạt Fe3O4-alginat vào dung dịch PHMG 2%, khuấy nhẹ trong 1 giờ để PHMG bám lên hạt Fe3O4-alginat. Sau khi rửa nhiều lần bằng nước cất xác định hàm lượng PHMG trong thành phần vật liệu bằng cách cân hạt Fe3O4-alginat trước và sau khi hấp phụ PHMG. Thực nghiệm được tiến hành 3 lần và lấy giá trị trung bình, kết quả thu được là 4,1% kl.
3.3.4.2. Xác định độ tan nhả PHMG
Kết quả xác định phần trăm tan nhả PHMG từ hạt nanocomposit Fe3O4- alginat/PHMG trên hình 3.46 cho thấy polyme tan ra rất ít, sau 1 giờ ngâm trong nước, lượng PHMG tan ra chiếm khoảng 2 % và sau đĩ khơng tan nữa. Như vậy, trong trường hợp này, PHMG khơng chỉ hấp phụ lên bề mặt hạt alginat, mà giữa hai hợp chất này đã xảy ra tương tác hĩa học, giữa nhĩm –COOH của alginat và nhĩm –NH2 của PHMG.
P H M G ( % ) 2,5 2 1,5 1 0,5 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 Thời gian (phút)
Hình 3.46. Lượng PHMG tan nhả từ hạt nanocomposit Fe3O4-alginat/PHMG.
3.3.4.3. Khảo sát khả năng kháng khuẩn
Hạt nanocomposit Fe3O4-alginat/PHMG được thử nghiệm hoạt tính kháng khuẩn theo phương pháp tiếp xúc trực tiếp với chủng đại diện là khuẩn E.coli (mục 2.3.5.), mật độ ban đầu là ~2.105 CFU/mL, thời gian tiếp xúc là 30 phút. Kết quả xác định mật độ khuẩn E.coli sau khi xử lý và hiệu lực diệt khuẩn được trình bày trên bảng 3.16.
Bảng 3.16. Kết quả thử nghiệm hoạt tính kháng khuẩn của vật liệu.
Mẫu
Fe3O4-alginat/PHMG
Ảnh chụp các mẫu xác định mật độ vi khuẩn trước và sau khi xử lý được trình bày trên hình 3.47.
Hình 3.47. Xác định mật độ E.coli sau khi xử lý bằng Fe3O4 - alginat/PHMG:
(a) Mẫu đối chứng khơng xử lý, độ pha lỗng 104
(b) Fe3O4-alginat/PHMG 0,5 g/L, độ pha lỗng 101
(c) Fe3O4-alginat/PHMG 2,5 g/L, độ pha lỗng 100
Kết quả trên bảng 3.16 cho thấy với lượng Fe3O4-alginat/PHMG sử dụng là 0,5 g/L, mật độ khuẩn E.coli sau khi xử lý vẫn cịn nhiều, cỡ ~2.102 CFU/mL. Trường hợp sử dụng vật liệu hạt nanocomposit tới 2,5 g/L mới diệt được hồn tồn lượng E.coli ~2.105 CFU/mL. Hiệu quả khử khuẩn của hạt Fe3O4-alginat/PHMG thậm chí cịn kém hạt Fe3O4 - alginat/Ag, lý do là vật liệu này hầu như khơng tan nhả PHMG, và với phương pháp thử nghiệm này các hạt nanocomposit khơng tiếp xúc được nhiều với vi khuẩn trong dung dịch.