Phương pháp thủy nhiệt thường được thực hiện trong nồi hấp (autoclave), các phản ứng diễn ra trong điều kiện áp suất và nhiệt độ được điều chỉnh theo mong muốn, phản ứng xảy ra trong dung dịch. Nhiệt độ được đặt trên điểm sôi của nước, đạt đến áp suất hơi bão hòa. Ở điều kiện siêu tới hạn này, nước hoạt động như một chất phản ứng để gia tốc động học của phản ứng thủy phân. Chất kiềm hoặc axít đóng vai trò như là chất giả xúc tác cho phản ứng. Khống chế kích thước và hình thái sản phẩm của phản ứng thủy nhiệt bằng cách thay đổi các điều kiện của dung dịch như là: pH, lực ion, nồng độ chất hoạt động bề mặt, nồng độ cation, anion, dung môi; và các điều kiện xử lý như: nhiệt độ, thời gian và khuấy. Phương pháp thủy nhiệt có một số ưu điểm đáng kể so với các kỹ thuật tổng hợp hóa khác: dễ dàng khống chế kích thước và hình thái bằng cách thay đổi các điều kiện chế tạo và rất nhiều vật liệu có thể được chế tạo trực tiếp với pha tinh thể mong muốn ở nhiệt độ thấp (có thể chế tạo bột siêu mịn với sự phân bố kích thước nhỏ, hạn chế được bước nung ủ cần có như trong quá trình sol-gel) [94].
Đây là phương pháp được sử dụng rộng rãi để chế tạo các hạt có kích thước nhỏ trong công nghiệp gốm. Rất nhiều nhóm đã sử dụng phương pháp này để chế tạo hạt nano TiO2.
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Hóa chất, dụng cụ và thiết bị sử dụng
2.1.1 Hóa chất
Hóa chất dùng trong điều chế tạo dung dịch sol-gel: Tetraisopropoxide, hãng Merck (Đức) ký hiệu TTIP, TiO2 nano thương mại (Degusa P25), rượu iso-
propanol, hãng Merck (Đức); dung dịch axit HNO3 63-68%, PEG
(polyetylenglycol) 4000g/mol là hóa chất tinh khiết.
Các hóa chất sinh phẩm như thạch dinh dưỡng, thạch máu cừu 5%, thạch Sabouraud được sử dụng trong đánh giá khả năng diệt khuẩn, nấm.
Các loại hóa chất khác như nước cất hai lần, nước khử ion... được sử dụng trong nghiên cứu.
2.1.2 Dụng cụ thí nghiệm
Bình cầu 3 cổ dung tích 500 ml, sinh hàn ngưng tụ, micropipet, các loại cốc thủy tinh chịu nhiệt có dung tích khác nhau (50, 100, 200, 500, 1000 ml), bình tam giác các loại (20, 50, 100 ml), pipet (1, 2, 5, 10, 20 ml), ống đong dung tích (10, 25, 50 ml) được sử dụng trong quá trình nghiên cứu.
Đũa thủy tinh, giá đựng mẫu, giá kẹp mẫu, bông, giấy lau, que cấy, đĩa petri.. được sử dụng trong quá trình triển khai thí nghiệm.
Nguồn ánh sáng sử dụng: dùng đèn UV có bước sóng 365nm, công suất 20W/đèn và đèn huỳnh quang công suất 40W/đèn.
2.1.3 Thiết bị phục vụ chế tạo và nghiên cứu
Bếp khuấy từ gia nhiệt ARE hãng VELP của Đức, có khuấy từ và gia nhiệt tự động dùng để ổn định nhiệt trong quá trình tổng hợp sol.
Lò nung sợi đốt có chương trình điều khiển nhiệt độ. Tủ sấy Shelab, Đức có điều khiển nhiệt độ lên tới 2500C.
Thiết bị phun dung dịch áp lực cao, tủ ấm, tủ khử trùng được sử dụng trong quá trình chuẩn bị mẫu.
Hiển vi quang học (quan sát sơ bộ bề mặt mẫu) và máy ảnh (dùng để chụp ảnh góc dính ướt).
2.2 Phương pháp nghiên cứu chế tạo vật liệu nano TiO2 từ TTIP
Phương pháp chế tạo màng phủ nano TiO2 trên ceramic gồm các bước chính sau: - Bước 1: Tổng hợp sol nano TiO2 bằng phương pháp sol-gel đi từ TTIP; - Bước 2: Quá trình phun phủ vật liệu;
- Bước 3: Quá trình làm khô; - Bước 4: Quá trình nung.
2.2.1 Phương pháp nghiên cứu chế tạo sol nano TiO2 theo phương pháp sol-gel
Quy trình chế tạo sol nano TiO2 được tiến hành theo sơ đồ (hình 2.1)
Hình 2.1 Quy trình tạo sol nano TiO2 từ TTIP
Dung dịch sol nano TiO2 được điều chế từ nguyên liệu ban đầu là TTIP. Isopropanol được sử dụng như một dung môi kết hợp với TTIP để tạo dẫn xuất alkoxide bền không bị thủy phân hoàn toàn.
Các mẫu sol nano TiO2 được tổng hợp từ TTIP theo phương pháp sol-gel gồm các bước sau:
- Chuẩn bị 28 ml dung dịch hỗn hợp gồm TTIP và isopropanol. Bịt kín miệng cốc, khuấy trộn dung dịch trong 30 phút.
Dung dịch TTIP Dung dịch Isopropanol
Thêm chậm nước cất Khuấy trộn 30 phút
Sol A
Sol nano TiO2
Khuấy trộn 1giờ
Axit HNO3 68% Khuấy trộn 1 giờ ở 850C
Khuấy trộn 5 giờ PEG (4000g/mol)
- Thêm chậm dung dịch hỗn hợp trên vào bình cầu 3 cổ đã đuợc chuẩn bị chứa 72 ml nuớc trong điều kiện khuấy trộn mạnh trong 1 giờ ở nhiệt độ phòng để xảy ra hoàn toàn phản ứng thủy phân.
- Thêm chậm một thể tích axít HNO3 đặc 68% vào dung dịch tạo đuợc, tiếp tục khuấy trộn mạnh ở nhiệt độ 85oC nhằm làm bay hơi hết isopropanol. Sau đó dung dịch tạo thành được làm lạnh xuống nhiệt độ phòng để giữ cho thành phần dung dịch có dạng ổn định (sol A).
- Thêm PEG vào sol A dưới điều kiện khuấy từ mạnh sao cho PEG chiếm 5% khối luợng dung dịch. Quá trình khuấy trộn được thực hiện trong 5h ở nhiệt độ phòng tạo thành sol nano TiO2.
Dung dịch sau khi điều chế được bảo quản kín tránh không khí và được sử dụng trong thời gian dài.
2.2.2 Quá trình tạo màng nano TiO2 trên ceramic
2.2.2.1 Chuẩn bị mẫu ceramic
Mẫu phủ cần được xử lý và bảo quản thật kỹ vì nó có vai trò quan trọng, ảnh hưởng đến độ bám dính, độ tinh khiết và một số tính chất khác của màng.
Mẫu ceramic được lấy từ Công ty cổ phần sứ Viglacera Thanh Trì. Mẫu được cắt nhỏ thành nhiều tấm theo kích thước 6x10 cm và chuẩn bị như sau:
- Rửa sạch bằng nước thường;
- Rửa bằng dung dịch axit HCl loãng 0,5M.
- Sau khi rửa bằng axit, mẫu được ngâm trong nước cất 15 phút và rửa sạch. - Mẫu tiếp tục được rửa bằng dung dịch bazơ 10%.
- Sau khi rửa bằng bazơ, mẫu được ngâm trong nước cất 15 phút và rửa sạch. - Rửa lại bề mặt mẫu bằng aceton.
- Sấy khô, sau đó mẫu được bảo quản trong bình hút ẩm.
2.2.2.2 Quá trình phun phủ vật liệu
Súng phun sau khi được rửa kỹ bằng nước cất sẽ được tráng lại bằng aceton. Súng phun được nối với thiết bị tạo áp lực. Trong giai đoạn này điều chỉnh lại mức súng phun cho phù hợp. Quá trình phun phủ như sau:
-Lấy 1,5 ml sol chế tạo được cho vào súng phun đã được chuẩn bị. -Mẫu ceramic đã làm sạch được gắn trên giá.
-Dùng súng phun tạo màng mỏng trên ceramic kích thước 6x10cm. Khoảng cách từ đầu súng phun đến bề mặt ceramic khoảng từ 20-25cm.
-Sau khi phun tạo màng mỏng trên bề mặt mẫu ceramic, mẫu được để khô tự nhiên ở nhiệt độ phòng trong 1 ngày.
-Sau đó sấy mẫu ở 700C trong vòng 1 giờ.
-Mẫu được nung ở nhiệt độ cho trước trong vòng 1 giờ (hình 2.2). -Mẫu sau khi nung được để nguội tự nhiên.
Hình 2.2 Quy trình tạo màng nano TiO2 trên ceramic
Phun phủ dung dịch sol nano TiO2 lên bề mặt ceramic
Để khô ở nhiệt độ phòng trong 1 ngày
Sấy 1giờ ở 700C
Sol nano TiO2 Mẫu ceramic sạch
Nung mẫu ở nhiệt độ cho trước trong 1 giờ
Để nguội tự nhiên
2.2.3 Phương pháp nghiên cứu chế tạo màng nano TiO2 để thực hiện quy hoạch thực nghiệm thực nghiệm
Với mục đích nghiên cứu và tìm các thông số tối ưu cho quá trình tạo màng trên ceramic để thu được màng mỏng nano TiO2 có khả năng diệt khuẩn, diệt nấm tốt nhất, nghiên cứu sinh tiến hành thực hiện quy hoạch thực nghiệm. Các thông số thí nghiệm sẽ được mô tả trong các bảng ma trận thực nghiệm và thực hiện theo quy trình hình 2.1 và hình 2.2 với các yếu tố thay đổi điều kiện nồng độ TTIP ban đầu, thể tích axit HNO3, thời gian và nhiệt độ nung.
2.3 Phương pháp nghiên cứu chế tạo màng nano TiO2 .P25 trên ceramic
2.3.1 Phương pháp chế tạo sol TiO2 -P25 từ P25 (Degussa)
Dung dịch sol TiO2.P25 được tạo thành khi cho TiO2 nano dạng bột phân tán trong dung dịch. Kích cỡ hạt tạo thành của TiO2 có ảnh hưởng lớn đến quá trình phản ứng, khi kích thước hạt càng nhỏ, các hạt sẽ phân tán tốt trong dung dịch, thời gian lắng kéo dài và đặc biệt diện tích bề mặt tăng làm tăng khả năng hấp phụ chất phản ứng lên bề mặt chất xúc tác.
Hình 2.3 Sol nano TiO2.P25 (a) và sol nano TiO2 (b)
Dung dịch sol TiO2.P25 được tạo thành theo các bước sau: -Cân chính xác 0,1g bột TiO2.P25.
-Chuẩn bị 50 ml nước đã khử ion.
- Cho bột nano TiO2.P25 vào nước khử ion, dung dịch được khuấy mạnh ở nhiệt độ phòng nhằm tách các hạt TiO2.P25 thành các hạt TiO2 riêng lẻ.
- Rung siêu âm dung dịch thu được trong 60 phút cho đến khi TiO2.P25 phân tán đều thành dung dịch màu trắng sữa.
- Thêm PEG (4000g/mol) vào dung dịch trên dưới điều kiện khuấy mạnh sao cho PEG chiếm 5% khối luợng dung dịch. Quá trình khuấy trộn được thực hiện trong 5giờ ở nhiệt độ phòng tạo thành sol nano TiO2.P25.
Dung dịch sau khi điều chế được bảo quản kín tránh không khí và được sử dụng trong thời gian dài.
2.3.2 Phương pháp chế tạo màng nano TiO2.P25 trên ceramic
Quá trình tạo màng nano TiO2.P25 trên ceramic được thực hiện theo sơ đồ (hình 2.2) bằng cách thay sol TiO2 bằng sol TiO2.P25.
2.4 Phương pháp thực nghiệm đánh giá hiệu suất diệt khuẩn và nấm
Sơ đồ tổng quát quy trình thử nghiệm khả năng diệt khuẩn của màng nano TiO2
được thể hiện trên hình 2.4. Để đảm bảo tính chính xác, ban đầu tất cả các mẫu đều được khử trùng bằng cách chiếu đèn tử ngoại trong thời gian 1 giờ để loại bỏ hết vi sinh vật đã có sẵn trên bề mặt.
Các loại vi sinh vật sẽ được sử dụng trong thí nghiệm bao gồm vi khuẩn E.coli
và nấm Candida albicans (chủng lấy từ Viện Vệ sinh An toàn Thực phẩm Quốc gia).
Chủng vi sinh vật chuẩn được nuôi cấy trong môi trường NA. Cách thức chọn và xác định như sau:
-Chọn khuẩn lạc vi sinh vật điển hình để nhuộm soi. Sau đó pha loãng khuẩn lạc với dung dịch nước muối sinh lý 8,5% để đạt nồng độ 106CFU/ml (sử dụng máy đo độ đục).
-Nhỏ 1,0 ml dịch chứa vi sinh vật nồng độ 106 CFU/ml lên bề mặt mẫu có phủ màng và mẫu không phủ màng, dàn đều dịch này khắp bề mặt mẫu. Sau đó các mẫu được chiếu sáng liên tục bởi 2 đèn huỳnh quang (Philips 18W, λ=356 nm) với cường độ chiếu sáng khoảng 1,0 mW/cm2 trong 30 phút.
Cấy VSV với nồng độ cho trước
Chiếu sáng tự nhiên
Mẫu được chiếu sáng để khử trùng Các mẫu ceramic
Lấy VSV khỏi bề mặt
Cấy lên các môi trường thích hợp
Đếm số khuẩn lạc
Hình 2.4 Sơ đồ quy trình nghiên cứu hiệu suất diệt trùng
-Sau đó các mẫu được lấy ra, quét mẫu để rửa trôi số vi sinh vật còn sống sót bám trên bề mặt mẫu. Dung dịch thu được sau khi quét được sử dụng để cấy lên môi trường thạch NA. Nhỏ 0,1 ml dịch này lên đĩa môi trường và cấy đều trên bề mặt thạch, đặt đĩa trong tủ ấm với nhiệt độ 370C. Sau 24 giờ đếm số khuẩn lạc xuất hiện trên bề mặt các đĩa thạch, xác định được số lượng vi sinh vật sống sót trên bề mặt mẫu.
Hiệu quả khử trùng thực tế của màng phủ nano TiO2 được đánh giá theo tỷ lệ phần trăm (%) và theo công thức:
% 100 ) ( x A B A H (2.1) Trong đó: H: hiệu suất khử trùng thực tế (%)
A: số lượng VSV trên mẫu không phủ màng B: số lượng VSV trên mẫu có phủ màng
2.5 Quy hoạch thực nghiệm
Trong các nghiên cứu thực nghiệm hoá học và công nghệ hoá học, có rất nhiều các bài toán thực nghiệm được mô tả thành bài toán cực trị: xác định điều kiện tối ưu của quá trình, thành phần tối ưu của hỗn hợp…Sự phân bố thích hợp của các điểm trong không gian nhân tố và phép biến đổi tuyến tính toạ độ đã khắc phục được những nhược điểm của phương pháp cổ điển và chỉ ra sự tương quan giữa các hệ số của phương trình hồi quy [15,16].
Việc chọn kế hoạch thực nghiệm dựa vào nhiệm vụ nghiên cứu và đặc tính của đối tượng. Quá trình nghiên cứu thường được tiến hành theo từng giai đoạn. Kết quả thu được ở mỗi giai đoạn chỉ ra phương pháp nghiên cứu tiếp theo. Như vậy, khả năng điều khiển tối ưu bằng thực nghiệm được hình thành.
Quy hoạch hoá thực nghiệm cho phép thay đổi đồng thời tất cả các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình đồng thời cho phép đánh giá định lượng các hiệu ứng cơ bản và các hiệu ứng tương hỗ với số lần thí nghiệm là ít nhất nhưng sai số tối thiểu so với phương pháp nghiên cứu cổ điển.
Để xác lập mô tả thống kê đối tượng hoá học và công nghệ hoá học, cần thực hiện các bước sau: xác định các thông số của mô hình mô tả hệ, xác lập cấu trúc hệ; xác định hàm toán mô tả; xác định các tham số của hàm toán; kiểm tra tính tương hợp mô tả đó và cải tiến nếu cần.
2.5.1 Xác định hệ
Số các yếu tố độc lập tối đa ảnh hưởng lên hệ xác định theo công thức:
F = Fđk + Fh (2.2)
Fđk: bậc tự do điều khiển Fh: bậc tự do hình học của hệ
Tuỳ theo yêu cầu nghiên cứu ta chỉ cần chọn k yếu tố (k F) ảnh hưởng lên hàm mục tiêu y nào đó hoặc nhiều hàm mục tiêu. Việc lựa chọn này cần căn cứ vào các yếu tố sau:
- Đặc điểm của hệ cần nghiên cứu: ở đây ta cần phải tìm xem những yếu tố nào ảnh hưởng trực tiếp hoặc gián tiếp tới hệ mà ta nghiên cứu rồi liệt kê chúng ra.
- Đặc điểm thiết bị sử dụng khi nghiên cứu và thực nghiệm: ở đây chủ yếu là các yếu tố đặc trưng cho tính chất hình học của thiết bị, loại thiết bị.
- Những đặc điểm gây ra bởi quá trình: gồm các yếu tố có ảnh hưởng đặc biệt đến hiệu suất của quá trình hoặc đến các yếu tố mục tiêu mà ta đang cần nghiên cứu.
Như vậy, sau khi liệt kê được tất cả những yếu tố ảnh hưởng trên ta mới chọn ra một số các yếu tố quan trọng nhất nhưng cần chú ý là các yếu tố này phải độc lập với nhau.
2.5.2 Xác định cấu trúc của hệ
Hệ chỉ là một hộp đen (một phần tử mà chủ thể không biết rõ cấu trúc và tính chất bên trong).
Do đối tượng nghiên cứu của quy hoạch thực nghiệm thường dùng là những hệ phức tạp, với cơ chế chưa được hiểu biết đầy đủ nhờ các mô hình lý thuyết, nên có thể hình dung chúng như “hộp đen” trong hệ thống điều khiển gồm các tín hiệu đầu vào và đầu ra (hình 2.5).
Hình 2.5 Sơ đồ tín hiệu của quy hoạch thực nghiệm
Các tín hiệu đầu vào được chia thành các nhóm:
- Các biến kiểm tra được và điều khiển được, mà người nghiên cứu có thể điều chỉnh theo dự định, biểu diễn bằng véctơ: X = [x1, x2, …, xn] thường là các biến thay đổi theo thời gian một cách đơn điệu.
- Các biến kiểm tra được, nhưng không điều khiển được, biểu diễn bằng véctơ: Z = [z1, z2, …, zk] là các biến ngẫu nhiên, có tính hệ thống nào đó.
- Các biến không kiểm tra và không điều khiển được, biểu diễn bằng véctơ: E = [e1, e2, …, ef] thuộc loại ngẫu nhiên, thường được gọi là “nhiễu” trong các thực nghiệm.
Véctơ Y = [y1, y2, …, yh] gồm các chỉ tiêu đầu ra dùng để đánh giá đối tượng nghiên cứu, nó phụ thuộc vào các thông số ảnh hưởng.
2.5.3 Xác định hàm toán mô tả hệ
Hàm toán mô tả hệ có dạng y = (xj) là hàm nhiều biến (j = 1k). Việc chọn biến ra y dựa trên cơ sở:
- Kết quả quan sát ở những đại lượng ra y1, ……,yq là những đại lượng ngẫu nhiên có phân bố chuẩn độc lập.
- Hàm mục tiêu có thể là những chỉ tiêu công nghệ hay chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật…