Tuy mới phát triển trong khoảng vài thập niên gần đây, tuy nhiên công nghệ nano đã đạt được nhiều thành tựu quan trọng và đang được ứng dụng phổ biến trong rất nhiều các lĩnh vực trên thế giới cũng như trong nước. Nano bạc được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, cụ thể:
- Trong lĩnh vực y tế:
Do đặc tính kháng khuẩn, từ lâu bạc đã được sử dụng trong y tế, trong chiến tranh thế giới, bạc được dùng để ngăn ngừa sự truyền nhiễm trước khi có kháng sinh, hoặc dùng keo bạc và sau này là kem có chứa thành phần nano bạc (silver sulfadiazine) để bôi lên các vết bỏng. Gần đây, nano bạc ngày càng được ứng dụng nhiều trong y tế như sử dụng để phủ lên băng gạc, sản xuất khẩu trang nano bạc [38], các loại vải kháng khuẩn trong bệnh viện…
Hãng Nucryst của Canada đưa ra sản phẩm băng gạc phủ nano bạc dưới tên thương mại Acticoat, công nghệ phủ thực hiện bằng ngưng tụ trong chân không, cố định nano bạc lên sợi vải.
Trong nhiệm vụ hợp tác quốc tế về khoa học và công nghệ (KH&CN) theo nghị định thư với Liên bang Nga “Nghiên cứu chế tạo và phát triển ứng dụng một số vật liệu nano bạc để khử trùng trong y tế, đời sống và sản xuất", các nghiên cứu của Viện Công nghệ môi trường cũng đã nghiên cứu chế tạo thành công các sản phẩm như khẩu trang nano bạc sử dụng một lớp vật liệu tẩm nano bạc và lớp than hoạt tính ở giữa, có tác dụng diệt khuẩn, virus, diệt nấm và khử mùi, sản phẩm băng gạc phủ nano bạc sử dụng điều trị các vết bỏng [9].
23
Hiện nay rất nhiều công ty của nhiều nước đã đưa ra thị trường các loại sản phẩm nano bạc dưới dạng bột và dạng keo cùng với các sản phẩm được chế tạo từ nano bạc. Các công ty Innovation của Hàn Quốc, Hanson của Trung Quốc, Bio- Gate GmbH của Đức, FALCO&Co của Nga, ACTICOAT của Canada, là những công ty hàng đầu thế giới đã đưa ra thị trường nhiều mặt hàng có chứa nano bạc như các loại vật liệu cơ sở chứa nano bạc và nano composite bạc dưới dạng bột hoặc keo, các vật liệu có sử dụng nano bạc như vải, sợi, băng gạc chữa vết thương, sơn, cao su, nhựa, đồ dùng gia dụng như máy giặt, máy điều hòa, tủ lạnh, quần áo, các vật liệu dùng trong bệnh viện v.v…
- Trong lĩnh vực vật dụng, trang thiết bị:
Nano bạc có thể được sử dụng đê phủ lên các bề mặt vật liệu như kính hoặc silicon trang thiết bị, vải vóc để tích hợp khả năng kháng khuẩn lên vật liệu, nhựa và đưa vào thành phần của các loại sơn.
Các sản phẩm bình sữa diệt khuẩn phủ nano bạc như bình sữa Edel Nano Silver của Hàn Quốc.
Các nhà khoa học Nga là những người đi đầu trong việc đưa nano bạc vào các loại sơn khác nhau để chế tạo các lớp phủ có tính sát khuẩn cao với phổ tác động rộng và thời gian hoạt động kéo dài. Công ty cổ phần Lakma-Kolor mới đây đã tung ra thị trường một sản phẩn sơn kháng khuẩn mới trong đó kết hợp đồng thời hai chất diệt khuẩn là nano bạc và polyhexamethylene guanidine (PHMG) có khả năng diệt vi khuẩn, virus, nấm và bào tử với hiệu quả cao.
Sản phẩm kính SGG nanosilver của công ty Saint-Gobain được phủ nano bạc với mục ích kiểm soát hấp thụ năng lượng mặt trời trong quang phổ chọn lọc và cách nhiệt [36]. Samsung đưa ra loại máy giặt có lần xả cuối cùng chứa ion bạc để có thể giúp áo quần kháng khuẩn trong nhiều ngày [37]. Tại Việt Nam, cũng có nhiều nghiên cứu ứng dụng nano bạc lên các vật liệu như phủ nano bạc lên vải Non-
24
woven sử dụng làm màng lót mũ bảo hiểm [7], hay chế tạo ống lọc xốp-nano bạc ứng dụng trong xử lý nước uống [11].
- Trong lĩnh vực xúc tác:
Nano bạc được sử dụng như một xúc tác trên các chất mang như zeolit để làm tăng khả năng oxi hóa của cac hợp chất hữu cơ.
- Trong lĩnh vực nông nghiệp:
Sản xuất màng hô hấp: Các hạt nano bạc được gắn lên màng film tạo khả năng kháng khuẩn rất mạnh sử dụng trong nông nghiệp.
Ở nước ta, chế phẩm nano bạc N200 sản xuất bởi Công ty đầu tư và phát triển Bắc Sơn, sản phẩm có tác dụng xử lý môi trường, diệt khuẩn và diệt các mầm bệnh trong nuôi trồng thủy sản. Chế phẩm là dung dịch nano bạc ở dạng keo, với kích thước hạt 10nm, nồng độ 0,5ppm.
25
CHƯƠNG 2: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là nano bạc và bộ tiền lọc phủ nano bạc trong thiết bị LSKK bằng xúc tác quang.
Trong cấu tạo thiết bị LSKK bằng XTQ do viện Công nghệ Môi trường thiết kế gồm nhiều bộ phận với các chức năng khác nhau gồm: bộ tiền lọc, bộ lọc tĩnh điện, bộ lọc xúc tác quang và lọc than hoạt tính. Bộ tiền lọc là bộ lọc đầu tiên trong thiết bị LSKK bằng XTQ, nó nằm ở đầu vào của thiết bị, được che chắn bằng nắp nhôm có các khe cho không khí đi qua.
Cấu tạo của bộ tiền lọc gồm hai lớp lọc, lớp lọc thô nằm bên ngoài, là tầng lọc đầu tiên trong thiết bị LSKK, có khả năng giữ các hạt bụi với kích thước lớn >3µm, và lớp lọc tinh nằm sát ngay sau có khả năng giữ các hạt bụi với kích thước >0,5µm. Các lớp lọc được cố định trên một khung nhôm và được lắp vào thiết bị.
+ Lớp lọc thô: sử dụng vật liệu là sợi bông tổng hợp của hãng Camfil Farr với cấp lọc G4. Màng lọc có độ dày 20mm, hiệu quả lọc bụi tổng từ 90-95% ở áp suất 250 Pa.
+ Lớp lọc tinh: vật liệu polyester của hãng Camfil Farr cấp lọc F6.
Sau khi khảo sát khả năng thấm hút của các vật liệu lọc, thử nghiệm đã lựa chọn màng lọc tinh trong bộ tiền lọc để tiến hành phủ nano bạc, khảo sát các đặc tính kháng khuẩn và khử khuẩn của màng lọc, khả năng kháng khuẩn và khử khuẩn của bộ lọc với màng lọc tinh phủ nano bạc và khảo sát hiệu quả làm việc của thiết bị LSKK bằng XTQ khi lắp bộ tiền lọc sử dụng màng lọc tinh phủ nano bạc. Bộ tiền lọc sử dụng tâm lọc tinh phủ nano bạc gọi tắt là bộ tiền lọc phủ nano bạc sơ đố cấu tạo như hình 2.1.
26
2.2 Phương pháp phân tích tổng hợp tài liệu
Phương pháp phân tích và tổng hợp tài liệu là phương pháp được sử dụng rộng rãi trong các công trình nghiên cứu khoa học trong mọi lĩnh vực nghiên cứu. Sử dụng phương pháp này trong quá trình nghiên cứu chủ yếu đọc và tham khảo các tài liệu có liên quan đến vấn đề nghiên cứu phục vụ cho việc xây dựng cơ sở khoa học cho phần tổng quan (bao gồm về hiện trạng ô nhiễm không khí trong nhà, các công nghệ LSKK truyền thống và công nghệ LSKK bằng XTQ, việc điều chế và ứng dụng bạc trong các lĩnh vực nhất là trong khử trùng) từ đó lựa chọn phương pháp phủ nano bạc lên màng lọc và đánh giá hiệu quả làm việc, hiệu quả kháng khuẩn của bộ tiền lọc sử dụng màng lọc phủ nano bạc để giải quyết nhiệm vụ của đề tài cũng như giúp cho việc phân tích kết quả nghiên cứu và các vấn đề liên quan khác nhau.
27 2.3 Phương pháp thực nghiệm
2.3.1 Điều chế dung dịch nano bạc và phủ nano bạc lên màng lọc tinh 2.3.1.1 Điều chế dung dịch nano bạc 2.3.1.1 Điều chế dung dịch nano bạc
Dung dịch nano bạc tiến hành điều chế bằng phương pháp hóa học dung dịch nước. Cơ sở lý thuyết của phương pháp là sử dụng chất khử mạnh NaBH4 để khử ion Ag+ thành bạc nguyên tử, sau khi hình thành các nguyên tử bạc có xu hướng kết khối với nhau và phát triển thành các hạt bạc có kích thước lớn dần. Để giới hạn kích thước của các hạt bạc được hình thành, phương pháp sử dụng chitosan như một chất bao bọc, hạn chế sự tiếp xúc và phát triển kích thước của các hạt bạc, mục đích duy trì kích thước hạt ở dưới 100nm.
* Phương trình phản ứng:
Ag+ + BH4- + H2O Ag + B(OH)4
* Dụng cụ và hóa chất:
+ Hóa chất: - AgNO3 (Merck);
- Chitosan (Viện Hóa học- Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam; - NaBH4 (Merck);
- Nước cất.
+ Dụng cụ: - Máy khuấy cơ, ống đong, cốc thủy tinh 2L, cân điện tử, bình tam giác.
* Quy trình thực hiện:
Nano bạc được tổng hợp dựa theo quy trình của nhóm tác giả Ngô Quôcc Bưu và cs. ở Viện Công nghệ môi trường- Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam [14], như mô tả trên quy trình hình 2.2 ,cụ thể :
-Dung dịch -chitozan 500ppm được điều chế bằng cách nghiền lượng cân chitozan dạng sợi trong cối sứ, hòa tan trong dung dịch 10% axit acetic, lọc rồi đưa về thể tích bằng nước cất và khuấy bằng máy khuấy ở tốc độ 1400 vòng/phút.
28
-Cân 1,58 g AgNO3, thêm vào 120 ml dung dịch -chitozan 500ppm, thêm 1830 ml nước cất và khuấy đều trong 30 phút được dung dịch đồng nhất ;
-Chuẩn bị dung dịch NaBH4 0,05M;
Hình 2. 2. Sơ đồ quy trình điều chế nano bạc Nhỏ từ từ từng giọt NaBH4 AgNO3 Dung dịch nano bạc Dung dịch đồng nhất (Tăng tốc độ khuấy 1900 vòng/phút) Khuấy 30 phút Chitosan + H2O (acit acetic) Dung dịch phản ứng Khuấy 1400 vòng/phút Khuấy 30 phút
29
- Thêm 50 ml dung dịch NaBH4 0,5M vào hỗn hợp phản ứng một cách từ từ và tăng tốc độ khuấy lên 1900 vòng/phút. Khuấy trong 0,5h tiếp theo thu được dung dịch nano bạc.
* Khảo sát đặc tính của dung dịch nano bạc
Sau khi điều chế dung dịch nano bạc theo phương pháp hóa học dung dịch ướt, tiến hành phân tích đặc trưng vật lý và cấu trúc của dung dịch bằng các phương pháp và thiết bị sau:
- Phương pháp kính hiển vi truyền qua (Transmission Electron Microscope – TEM) được sử dụng để xác định kích thước và sự phân bố của các hạt nano bạc.
Thiết bị có độ phóng đại rất lớn có thể từ vài chục đến vài trăm nghìn lần với nhiều vật liệu và với các nguyên tử nó có thể đạt được độ phóng đại tới 15 triệu lần. Nhờ cách tạo ảnh nhiễu xạ, vi nhiễu xạ và nano nhiễu xạ, kính hiển vi điện tử truyền qua còn cho biết nhiều thông tin chính xác về cách sắp xếp các nguyên tử trong mẫu, chi tiết đến từng hạt, từng diện tích cỡ µm2 và nhỏ hơn.
Các mẫu được đo trên máy JEM1010 (JEOL – Nhật Bản) của Viện vệ sinh dịch tễ Trung ương, có hệ số phóng đại M = x50 – x600.000, độ phân giải δ = 3 A°, điện áp gia tốc U = 40 –100 kV.
- Phương pháp hấp thụ phân tử UV-VIS:đây là phương pháp dựa trên sự so
sánh cường độ màu của dung dịch nghiên cứu với cường độ màu của dung dịch tiêu chuẩn có nồng độ xác định, được sử dụng để xác định xác định sự có mặt của nguyên tử bạc hóa trị 0.
Các mẫu được phân tích trên máy JASCO-V670 của khoa Hóa trường Đại học Sư phạm.
2.3.1.2 Nghiên cứu chế tạo bộ tiền lọc phủ nano bạc a) Quy trình tẩm nano bạc lên bộ lọc
Bộ tiền lọc của thiết bị LSKK bằng XTQ thực chất gồm 2 lớp lọc là lọc thô và lọc tinh. Cả 2 lớp lọc đều được làm bằng các loại vải sợi tổng hợp, nhưng do có kích thước sợi và khoảng cách giữa các sợi khác nhau mà có khả năng loại bỏ bụi
30
khác nhau: lớp lọc thô loại bỏ các hạt bụi có kích thước trên 3 µm còn lớp lọc tinh có thể loại bỏ các hạt bụi lớn hơn 1 µm, thậm chí đến 0.5 µm tùy cấp độ của bộ lọc. Thí nghiệm lựa chọn màng lọc tinh để phủ nano bạc.
Các loại màng lọc không khí được phủ nano bạc bằng phương pháp nhúng thay vì phải sử dụng các phương pháp phun phủ vật lý phức tạp và tốn kém hơn. Với phương pháp này, các phần tử nano bạc bám vào các sợi lọc và được giữ lại bởi lực hút tĩnh điện và lực Van de van (Hình 2.3). Điều kiện cần thiết của màng lọc không khí dùng để tẩm nano bạc là phải thấm hút tốt để dễ dàng thấm nano bạc. Đồng thời màng phải có bề mặt bông xốp để không khí dễ dàng đi qua màng nhưng vẫn giữ được bụi và vi khuẩn trong không khí tốt nhất.
* Hóa chất và dụng cụ
+ Hóa chất: - Dung dịch nano bạc 500 ppm điều chế được ở trên; - Màng lọc tinh F6 bằng sợi tổng hợp của Camfil Farr. + Dụng cụ: - Cốc thủy tinh 2L, kẹp.
* Các bước tiến hành
Dung dịch nano bạc 500 ppm (kích thước hạt trung bình 20 - 25 nm) ngay sau khi tổng hợp thành công được sử dụng để phủ lên màng lọc không khí. Phương pháp tẩm nano bạc lên màng lọc không khí được tiến hành như sau: cho màng lọc tinh kích thước 50×60 cm vào cốc thủy tinh 2L, cho dung dịch nano bạc 500 ppm vào cốc sao cho ngập màng lọc. Ngâm màng lọc với dung dịch nano bạc trong 2 giờ ở nhiệt độ phòng để màng được thấm đều nano bạc. Sau 2 giờ, lấy các mẫu màng này ra để khô tự nhiên trong 24 giờ. Thể tích dung dịch nano bạc ban đầu cho vào ngâm là 800ml, thể tích dung dịch nano bạc sau khi lấy màng vải lọc ra là 680ml.
31
Cuối cùng màng được được gấp và bảo quản trong túi tối màu trước khi đưa ra sử dụng. Phương pháp đánh giá định lượng bạc: nhúng tấm lọc đã phủ bạc vào dung dịch HNO3 làm tan bạc, sau đó đem phân tích hàm lượng rồi quy đổi ra trên diện tích tấm lọc.
b) Đặc trưng cấu trúc của nano bạc trên màng lọc tẩm nano bạc
Phương pháp kính hiển vi quét (Scanning Electron Microscope - SEM): được
sử dụng để xác định hình thái bề mặt của vật liệu. Ảnh được phóng đại theo phương pháp này thì mẫu không cần phải cắt lát mỏng và phẳng, cho phép quan sát được mẫu kể cả khi bề mặt mấp mô. Độ phóng đại của kính hiển vi điện tử quét thông thường từ vài chục đến vài trăm ngàn lần, năng suất phân giải là 5nm đối với bề mặt bằng cách thu điện tử thứ cấp, do đó cho ta thấy được các chi tiết thô trong công nghệ nano.
Các mẫu được đo trên máy JSM 5410- Nhật Bản của Viện vệ sinh dịch tễ Trung ương.
2.3.2 Đánh giá khả năng kháng khuẩn của các màng lọc tẩm nano bạc
2.3.2.1 Màng lọc tẩm nano bạc tiếp xúc trực tiếp với dịch vi khuẩn
Màng lọc ngay sau khi tẩm nano bạc được cho tiếp xúc với dịch vi khuẩn
E.Coli để đánh giá khả năng kháng khuẩn của màng lọc. Xác định một cách định
tính khả năng kháng khuẩn của màng lọc phủ nano bạc bằng cách quan sát vòng kháng khuẩn xung quanh các màng lọc phủ nano bạc và đối chứng khi đặt các màng
lọc này tiếp xúc với môi trường chứa E.Coli. Sau đó định lượng khả năng kháng khuẩn của các màng lọc này bằng cách xác định % lượng vi khuẩn E.Coli bị tiêu
diệt sau khi tiếp xúc với màng lọc tẩm nano bạc, có so sánh với mẫu đối chứng (mẫu không phủ nano bạc).
* Hóa chất và dụng cụ:
+ Hóa chất: - Môi trường Chromocult – môi trường đặc trưng để phân lập
32
- Màng lọc tinh phủ và không phủ nano bạc.
+ Dụng cụ: - Đĩa petri đường kính 9cm, pipet, kéo, đèn cồn, bông không thấm…,
- Tủ cấy vô trùng (Đài Loan), tủ nuôi ủ vi sinh FFC 90E VELP, nồi hấp tiệt trùng 25X-2 (Mỹ), tủ sấy Memmert (Đức), cân phân tích DJ-300TW (Nhật), máy lắc Votex VX-100 Labnet (Mỹ).
a) Quan sát vòng kháng khuẩn của màng lọc tẩm nano bạc