Vật liệu silica có kích thước hạt 1-2mm có nguồn gốc từ Trung Quốc được mang đi sấy khô để loại bỏ tối đa nước có trong vật liệu. Sau đó được mang đi đo BET để xác định diện tích bề mặt riêng và đường kính lỗ xốp của silica. Kết quả được thể hiện ở hình 3.1 và hình 3.2.
Hình 3.2. Đồ thị biểu diễn toạ độ BET của silica hấp phụ N2
Kết quả xác định bằng phương pháp BET cho thấy vật liệu silica được sử dụng trong nghiên cứu có diện tích bề mặt riêng 238,6 m2/g, thể tích lỗ xốp 0,328 cm3/g và đường kính mao quản 5,65nm. Sự hấp phụ bạc lên vật liệu liên quan chặt chẽ đến các đặc tính của silica sử dụng. Diện tích bề mặt riêng, kích thước lỗ xốp, đường kính mao quản của silica càng lớn thì lượng bạc được cố định lên trên bề mặt càng nhiều.
3.1.2. Nghiên cứu đặc trưng hình thái của vật liệu nano Ag/silica tổng hợp được
Nano Ag/silica được tổng hợp bằng phương pháp khử hóa học trực tiếp bạc nitrat trên silica với chất khử mạnh natribohydrat. Phương pháp tổng hợp này đơn giản, dễ thực hiện, khơng địi hỏi thiết bị phức tạp. Hình 3.3 thể hiện hình ảnh vật liệu nano Ag/silica tổng hợp được theo phương pháp khử trực tiếp bằng NaBH4. Vật liệu có màu vàng của nano bạc gắn trên silica.
Hình 3.3. Vật liệu nano Ag/silica tổng hợp được 3.1.2.1. Đặc trưng phổ UV-VIS 3.1.2.1. Đặc trưng phổ UV-VIS
Vật liệu nano Ag/silica sau khi tổng hợp được chụp đặc trưng phổ UV-VIS chất rắn tại Viện Công nghệ môi trường – Viện Hàn Lâm Khoa học và Cơng nghệ Việt Nam để định tính hạt bạc ở dạng nano, đánh giá hình dạng phổ và bước sóng hấp phụ cực đại. Kết quả được thể hiện ở hình 3.4.
Kết quả chụp UV-VIS cho thấy có một đỉnh rất rõ ở bước sóng 400nm, đây là bước sóng đặc trưng cho phổ hấp phụ plasmon của các hạt nano bạc. Như vậy, có thể kết luận là có sự hiện diện của các hạt nano bạc, đỉnh hấp thu này là kết quả của hiện tượng cộng hưởng plasmon xảy ra trên bề mặt các hạt nano bạc. Đỉnh hấp phụ cực đại nhọn, cân đối có độ bán rộng hẹp. Điều này có nghĩa là các hạt nano bạc thu được có kích thước khá đồng đều. Nhiều tác giả cũng xác định là bạc nano hấp thụ cực đại trong vùng bước sóng 380-430nm tuỳ thuộc vào hệ ổn định và cịn phụ thuộc vào kích thước và độ phân bố hạt nano tạo thành.
3.1.2.2. Đặc trưng hiển vi điện tử quét (SEM)
Cấu trúc bề mặt silica sau khi bị biến tính được chụp bằng máy SEM HITACHI S-4800-NHE tại Viện Vệ sinh dịch tễ trung ương. Kết quả được thể hiện ở hình 3.5.
Silica ban đầu Vật liệu nano Ag/silica Hình 3.5. Ảnh SEM của vật liệu nano Ag/silica
Hình ảnh chụp SEM (hình 3.5) cho thấy, sau khi biến tính bề mặt vật liệu với Ag+ để khử thành Ag0 trên chất mang silica cho thấy bề mặt vật liệu có sự thay đổi rõ rệt, các hạt silica khơng cịn xếp chặt khít mà đã tạo thành hệ vật liệu xốp hơn, có thể do có sự co cụm của một số hạt silica với nhau sau q trình biến tính vật liệu.
Cũng theo kết quả EDX, mẫu sau khi biến tính có sự xuất hiện của bạc trên bề mặt vật liệu, đây cũng là nguyên nhân làm thay đổi bề mặt của vật liệu nền silica.
3.1.3. Hiệu suất gắn nano bạc lên silica
Để xác định sự có mặt của bạc và hiệu suất cố định, vật liệu sau khi tổng hợp được đem đo quang phổ tán xạ năng lượng (EDX). Phương pháp đo phổ EDX được đo 10 điểm ngẫu nhiên trên mỗi mẫu vật liệu, sau đó lấy trung bình của 10 mẫu đo và tính tốn. Kết quả được thể hiện ở bảng 3.1 và hình 3.6.
Hình 3.6. Phổ tán xạ năng luợng của vật liệu nano Ag/silica
Bảng 3.1. Hiệu suất tổng hợp nano bạc trên silica
Lƣợng bạc theo lý thuyết (%) Lƣợng bạc thực tế (%) Hiệu suất (%)
0,02 0,018 90
Từ các kết quả phân tích phổ tán xạ năng lượng EDX và bảng kết quả tổng hợp ở trên cho thấy, vật liệu nano Ag/silica có các pic đặc trưng của Si, O, ngồi ra có 1 pic của C và 1 pic hấp phụ quang ở 3 keV cho thấy sự xuất hiện của các hạt
nano bạc. Theo như kết quả đo EDX, hàm lượng bạc thực tế tổng hợp được là 180ppm, do đó hiệu suất tổng hợp bạc lên silica đạt 90% so với lý thuyết. Như vậy phương pháp khử trực tiếp này cho hiệu quả tổng hợp khá cao, cách thức tổng hợp đơn giản do đó có thể áp dụng vào sản xuất ở quy mô công nghiệp.
3.2. Nghiên cứu khả năng khử trùng của vật liệu theo phƣơng pháp tĩnh
3.2.1. So sánh khả năng khử trùng của hai vật liệu silica và nano Ag/silica
Để so sánh khả năng diệt khuẩn của hai vật liệu, silica ban đầu và nano Ag/silica, thí nghiệm được tiến hành như sau: cân 1g vật liệu cho vào bình tam giác, đong 100ml mẫu nước thử nghiệm, mật độ coliforms ban đầu 218 khuẩn lạc/100ml lắc 100 vịng/phút trong khoảng 2 phút. Sau đó, tiến hành định lượng coliforms, kết quả được trình bày trong bảng 3.2 và hình 3.7.
Bảng 3.2. Kết quả khảo sát khả năng khử trùng của hai vật liệu
Vật liệu Silica (VL1) Nano Ag/silica (VL2)
Số khuẩn lạc/100ml 196 18
Đầu vào VL1 VL2
Như vậy, kết quả khảo sát cho thấy, vật liệu silica sau khi được gắn nano bạc có khả năng khử trùng rất tốt, gấp 9 lần so với vật liệu nền silica ban đầu. Sau thời gian lắc 2 phút với tốc độ 100 vịng/phút thì mẫu nước diệt khuẩn đã được diệt khuẩn được 91,7%, trong khi đó, với vật liệu nền silica, hiệu quả khử trùng chỉ đạt khoảng 10,1%.
3.2.2. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc đến hiệu quả khử trùng
Cân 1g vật liệu nano Ag/silica cho vào bình tam giác, lắc với 100ml mẫu nước thử nghiệm có mật độ coliforms 62 khuẩn lạc/100ml trên máy lắc với tốc độ 100 vòng/phút. Sau các khoảng thời gian 10, 20, 30, 40, 50, 60 giây tiến hành định lượng coliforms. Các kết quả được trình bày trong hình 3.8 và 3.9.
10 giây 20 giây 30 giây
40 giây 50 giây 60 giây
Hình 3.9. Đồ thị thể hiện sự phụ thuộc của hiệu quả khử trùng vào thời gian tiếp xúc
Từ đồ thị trên ta thấy hiệu quả khử trùng của vật liệu phụ thuộc vào thời gian tiếp xúc giữa vật liệu và mẫu thử nghiệm. Với cùng một lượng vật liệu, nếu càng tăng thời gian tiếp xúc thì hiệu quả khử trùng càng tốt, do khi thời gian tiếp xúc quá ngắn thì nano bạc chưa kịp tiếp xúc với vi khuẩn để tiêu diệt nó. Theo như kết quả thí nghiệm, để đạt hiệu quả khử trùng 100% thì thời gian tiếp xúc tối thiểu là 40 giây.
3.2.3. Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ rắn/lỏng đến hiệu quả khử trùng
Cân một lượng vật liệu sao cho tỷ lệ vật liệu (g)/thể tích mẫu (100ml) lần lượt là 1:200, 1:150, 1:100, 1:50 cho vào bình tam giác, thêm 100ml mẫu nước thử nghiệm, mật độ coliforms trong mẫu thử nghiệm là 62 khuẩn lạc/100ml lắc với tốc độ 100 vòng/phút, lắc trong 40 giây, tiến hành định lượng coliforms. Kết quả được thể hiện trong bảng 3.3, hình 3.10 và 3.11.
Bảng 3.3. Kết quả khảo sát ảnh hƣởng của tỷ lệ rắn/lỏng Tỷ lệ rắn/lỏng 1:200 1:150 1:100 1:50
Khối lƣợng vật liệu (g) 0,5 0,67 1 2
Số khuẩn lạc/100ml 38 24 KPH KPH
1/200 1/150 1/100 1/50
Hình 3.10. Hình ảnh coliform sau khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ rắn/lỏng đến khả năng khử trùng của nano Ag/silica
Với lượng coliforms trong mẫu thử nghiệm là 62 khuẩn lạc/100ml, thời gian tiếp xúc ngắn (40 giây) thì tỷ lệ vật liệu tối thiểu cần dùng để mẫu có thể khử trùng được hoàn toàn 100% vi sinh vật là 1:100 hay lượng vật liệu tối thiểu cần dùng bằng 1% thể tích mẫu.
3.3. Nghiên cứu ảnh hƣởng của một số yếu tố đến khả năng diệt khuẩn của vật liệu theo phƣơng pháp động
3.3.1. Ảnh hưởng của chiều cao lớp vật liệu lọc
Cố định tốc độ dòng 3,8ml/phút.cm2, tiến hành khảo sát hiệu quả khử trùng của vật liệu khi chiều cao cột lọc thay đổi 1, 2, 3, 4, 5 cm, với mật độ coliforms đầu vào là 68 khuẩn lạc/100ml. Điều chỉnh tốc độ dòng ra nhờ van trên cột lọc, đường kính cột lọc 1cm, tiết diện cột là 0,785 cm2. Mẫu phân tích vi sinh được lấy sau khi cột chạy ổn định 5 phút. Kết quả thu được như trong hình 3.12 và 3.13:
1cm 2cm 3cm
4cm 5cm
Hình 3.13. Hình ảnh coliform sau khử trùng của vật liệu theo chiều cao cột vật liệu
Khi cố định tốc độ dòng, ta thấy khả năng diệt khuẩn của vật liệu phụ thuộc vào chiều cao cột. Khi tăng dần chiều cao cột lọc thì hiệu quả khử trùng cũng tăng theo do tăng thời gian tiếp xúc của vật liệu. Chiều cao cột quá thấp, dẫn đến thời gian tiếp xúc giữa bạc và vi khuẩn ngắn, khiến vật liệu chưa kịp tiêu diệt hết vi khuẩn nên chúng đã có mặt ở đầu ra. Như vậy, với tốc độ dòng 3,8 ml/phút.cm2, chiều cao cột tối thiểu là 3cm, vật liệu có thể khử trùng 100% vi khuẩn trong mẫu.
3.3.2. Ảnh hưởng của tốc độ dòng
Tốc độ lọc cũng ảnh hưởng rất nhiều đến hiệu quả khử trùng của vật liệu. Thí nghiệm được thực hiện với các tốc độ lọc khác nhau, cố định chiều cao cột lọc 3cm, đường kính cột lọc 1cm, tiết diện cột là 0,785 cm2
Mẫu nước thử nghiệm có mật độ coliforms ban đầu 64 khuẩn lạc/10ml. Mẫu phân tích vi sinh được lấy sau khi cột được chạy ổn định 5 phút. Kết quả thu được như sau:
Bảng 3.4. Sự phụ thuộc của hiệu quả khử trùng vào tốc độ dòng Tốc độ dòng (ml/phút.cm2) 7,5 5,8 4,1 2,3 Tốc độ dòng (ml/phút.cm2) 7,5 5,8 4,1 2,3
Kí hiệu mẫu V1 V2 V3 V4
Số khuẩn lạc/100ml 42 19 KPH KPH
V1 V2 V3 V4
Hình 3.15. Hình ảnh coliform sau khi khảo sát ảnh hưởng của tốc độ dòng
Đồ thị trên cho thấy khả năng diệt khuẩn của vật liệu phụ thuộc vào tốc độ dòng. Với chiều cao cột cố định là 3cm và thay đổi tốc độ dòng ta thấy số khuẩn lạc giảm dần khi giảm tốc độ dòng (tăng thời gian tiếp xúc). Nếu tốc độ dòng lớn hơn 4,1ml/phút.cm2 vi khuẩn vẫn có mặt ở đầu ra vì tốc độ dịng q nhanh khiến bạc chưa có đủ thời gian tiếp xúc với vi khuẩn để tiêu diệt nó. Như vậy, với tiết diện cột là 0,785 cm2, chiều cao cột là 3cm, tương đương thể tích vật liệu là 2,355 cm3, và tốc độ dòng khảo sát tối đa là 4,1ml/phút.cm2 cho hiệu quả khử trùng đạt 100%.
3.3.3. Ảnh hưởng của chất hữu cơ đến khả năng khử trùng
Mẫu nước đối chứng có hàm lượng chất hữu cơ là 1,08 mg/l. Lấy 3lít mẫu nước đối chứng, thêm một thể tích dung dịch có hàm lượng chất hữu cơ là 500 mg/l, được mẫu nước thử nghiệm có hàm hượng chất hữu cơ là 20,3 mg/l. Mật độ coliforms trong mẫu là 65 khuẩn lạc/100ml. Thí nghiệm được thực hiện với chiều cao cột lọc 3cm, tốc độ dịng 4ml/phút.cm2, đường kính cột lọc 1cm, tiết diện cột là 0,785 cm2. Mẫu phân tích vi sinh được lấy sau khi cột chạy ổn định 5 phút. Kết quả thử nghiệm được thể hiện ở bảng 3.5.
Bảng 3.5. Ảnh hƣởng của chất hữu cơ tới khả năng khử trùng
Thể tích mẫu xử lý (ml)
Đầu ra (số khuẩn lạc/100ml) Mẫu đối chứng Mẫu nƣớc khử trùng
100 KPH KPH 200 KPH KPH 300 KPH KPH 400 KPH KPH 500 KPH KPH 600 KPH 4 700 KPH 19 800 8 47 900 27 65
Qua kết quả nghiên cứu cho thấy, chất hữu cơ trong nước ảnh hưởng không nhỏ đến khả năng khử trùng. Với lượng chất hữu cơ đầu vào 20,3 mg/l đã làm giảm khoảng 30% hiệu suất khử trùng của nano bạc. Khả năng kháng khuẩn của nano bạc chịu những ảnh hưởng tiêu cực của chất hữu cơ trong nước. Các chất hữu cơ có thể hấp phụ trên bề mặt nano bạc dẫn đến làm giảm sự tiếp xúc giữa nano bạc và vi khuẩn, do đó làm giảm khả năng khử trùng. Ngoài ra, sự hấp phụ các chất hữu cơ có thể làm cản trở sự giải phóng của nano bạc vào trong nước và làm giảm hoạt tính kháng khuẩn của nó.
Hình 3.16. Đồ thị thể hiện kết quả khảo sát ảnh hưởng của chất hữu cơ tới khả năng khử trùng của nano Ag/silica
3.3.4. Ảnh hưởng của một số ion phổ biến trong nước sinh hoạt
Nồng độ một số ion trong nước thử nghiệm được pha theo QCVN 02:2009 BYT, Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước sinh hoạt. Lấy 3 lít mẫu nước thử nghiệm (mẫu đối chứng) sau đó thêm một lượng các dung dịch chuẩn của Fe, Cl-, As, NH4+, độ cứng để được dung dịch mẫu cần khử trùng có nồng độ như trong bảng 3.6. Mật độ coliforms ban đầu có trong mẫu là 68 khuẩn lạc/100ml.
Bảng 3.6. Nồng độ một số thông số phổ biến trong nƣớc
Các thông số
Nồng độ (mg/l)
Mẫu đối chứng Mẫu cần khử trùng
Fe 0,05 0,51
Cl- 96 302
As <0,005 0,012
NH4+ 0,45 3,05
Độ cứng 240 354
Thí nghiệm được thực hiện với chiều cao cột lọc 3cm, tốc độ dịng 4ml/phút.cm2, đường kính cột lọc 1cm, tiết diện cột là 0,785 cm2. Mẫu phân tích vi sinh được lấy sau khi cột chạy ổn định 5 phút. Kết quả khảo sát được trình bày ở hình 3.17 và bảng 3.7:
Hình 3.17. Đồ thị ảnh hưởng của một số ion phổ biến trong nước tới khả năng khử trùng
Bảng 3.7. Kết quả sát ảnh hƣởng của một số thơng số trong nƣớc
Thể tích nƣớc xử lý (ml)
Đầu ra (số khuẩn lạc/100ml) Mẫu đối chứng Mẫu thử nghiệm
100 KPH KPH 200 KPH KPH 300 KPH KPH 400 KPH KPH 500 KPH KPH 600 KPH KPH 700 KPH KPH 800 KPH 9 900 18 45
Với cùng một lượng vật liệu, hiệu suất khử trùng nước thử nghiệm của vật liệu nano giảm khoảng 10% so với mẫu nước đối chứng, do ion bạc tương đối trơ về mặt hoá học nên khơng xảy ra các phản ứng hố học với các ion trong nước. Do đó, khả năng khử trùng của vật liệu không bị ảnh hưởng nhiều bởi một số ion phổ biến trong nước như sắt, amoni, asen, clorua, độ cứng có nghĩa tuổi thọ của vật liệu sẽ không bị giảm nhiều.
3.4. Khảo sát khả năng khử trùng của vật liệu nano Ag/silica với mẫu thực
Thí nghiệm được tiến hành với cột vật liệu lọc cao 20cm, đường kính cột 6,5 cm (kích thước của cột lọc RO quy mơ quy mơ hộ gia đình), thể tích cột vật liệu lọc 0,7lít.
3.4.1. Hiệu quả khử trùng đối với nước cấp
Cột vật liệu lọc được tiến hành khảo sát khử trùng với nước máy, tốc độ lọc 50L/h, sau mỗi 50 lít nước lọc sẽ tiến hành kiểm tra mật độ vi khuẩn. Mẫu nước máy có lượng coliforms ban đầu là 38 khuẩn lạc/100ml.
Bảng 3.8. Hiệu quả khử trùng đối với nƣớc cấp Thể tích nƣớc xử lý (lít) Số khuẩn lạc/100ml Thể tích nƣớc xử lý (lít) Số khuẩn lạc/100ml 1000 KPH 7000 KPH 2000 KPH 7500 KPH 3000 KPH 7600 KPH 4000 KPH 7650 4 5000 KPH 7700 16 6000 KPH 7750 38 Một cột vật liệu lọc có thể tích 0,7lít, lọc với tốc độ 50L/h có thể khử trùng hồn tồn 100% được 7600 lít nước máy. Với một gia đình 4 người, trung bình một ngày dùng hết 20 lít nước cho mục đích ăn uống thì một cột lọc này có thể sử dụng