NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG KHỬ TRÙNG NƯỚC SINH HOẠT VÀ ĂN UỐNG CỦA NANO AgSILICA

Nước sạch là điều kiện tiên quyết cho sức khoẻ và sự phát triển và là một quyền cơ bản của con người. Hàng năm, trên thế giới có hơn ba triệu người, chủ yếu là trẻ em, tử vong do các bệnh liên quan đến nước. Gần hai triệu người chết do hậu quả của các bệnh tiêu chảy do uống nước nhiễm bẩn, do thiếu nước sạch, điều kiện vệ sinh kém. Tài nguyên nước bị ô nhiễm cũng có thể góp phần làm lây lan các bệnh do tiếp xúc với da hoặc do các côn trùng. Mặc dù chính phủ, xã hội và cộng đồng quốc tế vẫn tiếp tục nỗ lực phối hợp nhằm cải thiện việc tiếp cận nước sạch (đặc biệt là Thập niên quốc tế về Nước uống và Vệ sinh, 19811990) nhưng khoảng 1,1 tỷ người không được tiếp cận với nguồn nước sạch 26. Ngày nay, các phương pháp khử trùng nước thường được sử dụng như clo và dẫn xuất của clo, ozon, tia UV… hay cổ điển là phương pháp nhiệt (đun sôi). Tuy nhiên, các phương pháp này vẫn chưa mang lại hiệu quả cao và bộc lộ một số hạn chế như tạo các hợp chất cơ clo, gây tồn dư hóa chất, ở nhiệt độ sôi của nước một số vi sinh vật vẫn không bị tiêu diệt… Trong những năm gần đây, việc lựa chọn các hóa chất, vật liệu khử trùng nước thân thiện với môi trường, đặc biệt là không ảnh hưởng tới sức khỏe con người được rất nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu. Từ lâu, nano bạc được biết đến là chất có tính năng kháng khuẩn cao, hạn chế và tiêu diệt sự phát triển của nấm mốc, vi khuẩn và thậm chí cả virut. So với các phương pháp khử khuẩn truyền thống, bạc có hiệu quả diệt khuẩn cao, không tạo sản phẩm phụ gây độc với môi trường 7,24. Hiệu quả của bạc có thể được tăng lên gấp nhiều lần khi ở kích thước nano. So với bạc ở kích thước micromet hoặc lớn hơn, các hạt nano bạc có diện tích bề mặt lớn, khi được phân bố đều trong môi trường hoặc trên một chất mang sẽ làm tăng khả năng tiếp xúc, do đó làm tăng hiệu quả làm việc của vật liệu 4,7. Vì thế các nghiên cứu đang tập trung vào việc nghiên cứu chế tạo được các nano bạc mang 2 trên các vật liệu khác nhau (có thể vật liệu từ tự nhiên, nhân tạo hoặc là chất thải) vừa có khả năng diệt khuẩn cao, vừa có thời gian sống dài và thậm chí có khả năng thu hồi lại vật liệu đã sử dụng. Hiện nay, nano bạc mang trên silica đang được quan tâm nghiên cứu nhiều về phương pháp tổng hợp cũng như các ứng dụng trong đời sống. Phát triển công nghệ chế tạo và ứng dụng vật liệu này trong điều kiện ở Việt Nam sẽ mang lại lợi ích thực tiễn và là bước phát triển mới trong nghiên cứu vật liệu khử trùng nước. Do vậy tiến hành thực hiện đề tài “Nghiên cứu đánh giá khả năng khử trùng nước sinh hoạt và ăn uống của nano AgSilica”. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn: tổng hợp và đánh giá khả năng khử trùng nước sinh hoạt và ăn uống của vật liệu nano Agsilica. Nội dung nghiên cứu của luận văn gồm có: Tổng hợp và đánh giá đặc trưng hình thái của vật liệu nano Agsilica; Đánh giá ảnh hưởng của chất hữu cơ và một số ion phổ biến trong nước đến khả năng khử trùng nước của vật liệu; Đánh giá khả năng khử trùng mẫu nước thực tế của vật liệu nano Agsilica.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

NGUYỄN THỊ QUY

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG

KHỬ TRÙNG NƯỚC SINH HOẠT VÀ ĂN UỐNG

CỦA NANO Ag/SILICA

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – 2017

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

NGUYỄN THỊ QUY

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG

KHỬ TRÙNG NƯỚC SINH HOẠT VÀ ĂN UỐNG

CỦA NANO Ag/SILICA

Chuyên ngành: Khoa học môi trường

Mã số: 60440301

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Đồng Kim Loan

Hà Nội – 2017

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đề tài luận văn Thạc sĩ: “Nghiên cứu đánh giá khả năng

khử trùng nước sinh hoạt và ăn uống của nano Ag/Silica” là do tôi thực hiện dưới

sự hướng dẫn của PGS.TS Đồng Kim Loan – Giảng viên Khoa Môi trường – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội Đây không phải là bản sao chép của bất kỳ cá nhân, tổ chức nào Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về những nội dung mà mình trình bày trong Luận văn này

Hà Nội, ngày tháng năm 2017

Học viên

Nguyễn Thị Quy

LỜI CÁM ƠN

Lời đầu tiên tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Đồng Kim Loan – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội – người đã trực tiếp hướng dẫn tôi thực hiện Luận văn này, người luôn quan tâm giúp đỡ tôi trong suốt quá trình làm luận văn

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới toàn thể các thầy cô giáo trong Khoa Môi trường, đặc biệt là các thầy cô giáo trong Bộ môn Công nghệ Môi trường – Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội

đã trang bị cho tôi những kiến thức bổ ích, thiết thực cũng như sự nhiệt tình, ân cần dạy bảo trong hai năm học vừa qua

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới các cán bộ, nhân viên Công ty Cổ phần Nghiên cứu và ứng dụng công nghệ nano R&P, phòng thí nghiệm tại khoa Hóa học – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã tạo điều kiện và trực tiếp giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu, thực hiện luận văn

Cuối cùng tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc tới bố mẹ, gia đình và bạn bè đã quan tâm động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn

Hà Nội, ngày tháng năm 2017

Học viên

Nguyễn Thị Quy

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 3

1.1 Vật liệu nano Ag/silica 3

1.1.1 Tổng quan về nano Ag và silica 3

1.1.2 Cơ chế diệt khuẩn của nano bạc 8

1.1.3 Một số phương pháp điều chế nano Ag/silica 11

1.2 Ô nhiễm vi khuẩn trong nước 14

1.2.1 Các vi sinh vật gây bệnh thường có ở trong nước 14

1.2.2 Vi khuẩn chỉ thị ô nhiễm vi sinh trong môi trường nước 16

1.2.3 Phương pháp định lượng vi khuẩn 17

1.3 Các phương pháp khử trùng nước hiện nay 19

1.3.1 Khử trùng bằng clo và dẫn xuất của clo 20

1.3.2 Khử trùng bằng tia cực tím (UV) 20

1.3.3 Khử trùng bằng Ozon 21

1.3.4 Khử trùng bằng nano bạc 22

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 25

2.1 Đối tượng, phạm vi và mục tiêu nghiên cứu 25

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu 25

2.1.2 Phạm vi nghiên cứu 25

2.1.3 Mục tiêu nghiên cứu 25

2.2 Dụng cụ và hóa chất, thiết bị 25

2.3 Phương pháp nghiên cứu 26

2.3.1 Phương pháp tổng quan tài liệu 26

2.3.2 Phương pháp nghiên cứu trong phòng thí nghiệm 27

2.3.3 Phương pháp đánh giá đặc trưng tính chất của vật liệu 32

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 35

3.1 Tổng hợp vật liệu nano Ag/silica 35

3.1.1.Cấu trúc vật liệu silica 35

3.1.2 Nghiên cứu đặc trưng hình thái của vật liệu nano Ag/silica tổng hợp

được 36

3.1.3 Hiệu suất gắn nano bạc lên silica 39

3.2 Nghiên cứu khả năng khử trùng của vật liệu theo phương pháp tĩnh 40

3.2.1 So sánh khả năng khử trùng của hai vật liệu silica và nano Ag/silica40 3.2.2 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc đến hiệu quả khử trùng 41

3.2.3 Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ rắn/lỏng đến hiệu quả khử trùng 42

3.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố đến khả năng diệt khuẩn của vật liệu theo phương pháp động 44

3.3.1 Ảnh hưởng của chiều cao lớp vật liệu lọc 44

3.3.2 Ảnh hưởng của tốc độ dòng 45

3.3.3 Ảnh hưởng của chất hữu cơ đến khả năng khử trùng 47

3.3.4 Ảnh hưởng của một số ion phổ biến trong nước sinh hoạt 49

3.4 Khảo sát khả năng khử trùng của vật liệu nano Ag/silica với mẫu thực 51

3.4.1 Hiệu quả khử trùng đối với nước cấp 52

3.4.2 Đánh giá tính an toàn của vật liệu 52

3.5 Tính toán chi phí sản xuất vật liệu 53

KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 55

TÀI LIỆU THAM KHẢO 56

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Ưu nhược điểm của một số phương pháp khử trùng nước ăn uống 23

Bảng 2.1 Dụng cụ, hóa chất và thiết bị sử dụng trong thí nghiệm 25

Bảng 3.1 Hiệu suất tổng hợp nano bạc trên silica 39

Bảng 3.2 Kết quả khảo sát khả năng khử trùng của hai vật liệu 40

Bảng 3.3 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ rắn/lỏng 43

Bảng 3.4 Sự phụ thuộc của hiệu quả khử trùng vào tốc độ dòng 46

Bảng 3.5 Ảnh hưởng của chất hữu cơ tới khả năng khử trùng 48

Bảng 3.6 Nồng độ một số thông số phổ biến trong nước 50

Bảng 3.7 Kết quả sát ảnh hưởng của một số thông số trong nước 50

Bảng 3.8 Hiệu quả khử trùng đối với nước cấp 52

Bảng 3.9 Kết quả xác định hàm lượng bạc giải phóng vào nước sau quá trình lọc 53 Bảng 3.10 Tính toán chi phí sản xuất 10kg vật liệu 54

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Khẩu trang nano bạc 5

Hình 1.2 Dung dịch nano bạc dùng trong thủy sản và nông nghiệp 5

Hình 1.3 Cấu trúc của SiO2 6

Hình 1.4 Cơ chế diệt khuẩn của nano bạc 10

Hình 1.5 Quá trình tổng hợp nano bạc gắn lên silica rỗng được chức năng hóa (Ag-NPBs) 14 Hình 2.1 Sơ đồ quy trình tổng hợp vật liệu nano Ag/silica 28

Hình 3.1 Đồ thị đường đẳng nhiệt BET của N2 trên vật liệu silica 35

Hình 3.2 Đồ thị biểu diễn toạ độ BET của silica hấp phụ N2 36

Hình 3.3 Vật liệu nano Ag/silica tổng hợp được 37

Hình 3.4 Phổ UV-VIS của vật liệu nano Ag/silica 37

Hình 3.5 Ảnh SEM của vật liệu nano Ag/silica 38

Hình 3.6 Phổ tán xạ năng luợng của vật liệu nano Ag/silica 39

Hình 3.7 Khảo sát khả năng khử trùng của hai vật liệu 40

Hình 3.8 Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc đến khả năng khử trùng 41

Hình 3.9 Đồ thị thể hiện sự phụ thuộc của hiệu quả khử trùng vào thời gian tiếp xúc 42

Hình 3.10 Hình ảnh coliforms sau khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ rắn/lỏng đến khả năng khử trùng của nano Ag/silica 43

Hình 3.11 Đồ thị ảnh hưởng của tỷ lệ rắn/lỏng tới hiệu quả khử trùng 43

Hình 3.12 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của chiều cao cột vật liệu 44

Hình 3.13 Hình ảnh coliforms sau khử trùng của vật liệu theo chiều cao cột vật liệu 45

Hình 3.14 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của tốc độ dòng 46

Hình 3.15 Hình ảnh coliforms sau khi khảo sát ảnh hưởng của tốc độ dòng 47

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 49

Hình 3.17 Đồ thị ảnh hưởng của một số ion phổ biến trong nước tới khả năng khử trùng 50

Protection Agency) EDX Phổ tán xạ năng lượng tia X (Energy-dispersive X-ray)

KPH Không phát hiện

SEM Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscopy) UNICEF Quỹ nhi đồng liên hợp quốc (United Nations International

Children's Emergency Fund) USFDA Cục Quản lý thực phẩm và dược phẩm Mỹ (United States Food

and Drug Administration)

UV Tia tử ngoại (Ultraviolet)

WHO Tổ chức y tế thế giới (World Health Organization)

Ngày nay, các phương pháp khử trùng nước thường được sử dụng như clo và dẫn xuất của clo, ozon, tia UV… hay cổ điển là phương pháp nhiệt (đun sôi) Tuy nhiên, các phương pháp này vẫn chưa mang lại hiệu quả cao và bộc lộ một số hạn chế như tạo các hợp chất cơ clo, gây tồn dư hóa chất, ở nhiệt độ sôi của nước một số

vi sinh vật vẫn không bị tiêu diệt…

Trong những năm gần đây, việc lựa chọn các hóa chất, vật liệu khử trùng nước thân thiện với môi trường, đặc biệt là không ảnh hưởng tới sức khỏe con người được rất nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu Từ lâu, nano bạc được biết đến là chất có tính năng kháng khuẩn cao, hạn chế và tiêu diệt sự phát triển của nấm mốc, vi khuẩn và thậm chí cả virut So với các phương pháp khử khuẩn truyền thống, bạc có hiệu quả diệt khuẩn cao, không tạo sản phẩm phụ gây độc với môi trường [7,24]

Hiệu quả của bạc có thể được tăng lên gấp nhiều lần khi ở kích thước nano

So với bạc ở kích thước micromet hoặc lớn hơn, các hạt nano bạc có diện tích bề mặt lớn, khi được phân bố đều trong môi trường hoặc trên một chất mang sẽ làm tăng khả năng tiếp xúc, do đó làm tăng hiệu quả làm việc của vật liệu [4,7] Vì thế các nghiên cứu đang tập trung vào việc nghiên cứu chế tạo được các nano bạc mang

2

trên các vật liệu khác nhau (có thể vật liệu từ tự nhiên, nhân tạo hoặc là chất thải) vừa có khả năng diệt khuẩn cao, vừa có thời gian sống dài và thậm chí có khả năng thu hồi lại vật liệu đã sử dụng

Hiện nay, nano bạc mang trên silica đang được quan tâm nghiên cứu nhiều

về phương pháp tổng hợp cũng như các ứng dụng trong đời sống Phát triển công nghệ chế tạo và ứng dụng vật liệu này trong điều kiện ở Việt Nam sẽ mang lại lợi ích thực tiễn và là bước phát triển mới trong nghiên cứu vật liệu khử trùng nước Do

vậy tiến hành thực hiện đề tài “Nghiên cứu đánh giá khả năng khử trùng nước sinh

hoạt và ăn uống của nano Ag/Silica”

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn: tổng hợp và đánh giá khả năng khử trùng nước sinh hoạt và ăn uống của vật liệu nano Ag/silica

Nội dung nghiên cứu của luận văn gồm có:

- Tổng hợp và đánh giá đặc trưng hình thái của vật liệu nano Ag/silica;

- Đánh giá ảnh hưởng của chất hữu cơ và một số ion phổ biến trong nước đến khả năng khử trùng nước của vật liệu;

- Đánh giá khả năng khử trùng mẫu nước thực tế của vật liệu nano Ag/silica

3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Vật liệu nano Ag/silica

1.1.1 Tổng quan về nano Ag và silica

1.1.1.1 Nano bạc

Bạc ở kích thước nano là vật liệu có các tính chất quang học, khả năng dẫn điện và dẫn nhiệt cao Ngoài ra, bạc là một trong những kim loại có độ cứng và khả năng chống mài mòn cao Nano bạc có thể được tích hợp vào rất nhiều loại sản phẩm từ các loại pin quang điện, các sản phẩm điện tử, các chi tiết cần độ dẫn nhiệt cao, tới các sản phẩm cảm biến sinh học và hóa học Sự có mặt của nano bạc giúp cho các sản phẩm này có độ dẫn điện, dẫn nhiệt, độ bền cao và ổn định

Nhờ hiện tượng plasmon bề mặt, nano bạc có thể hấp phụ ánh sáng ở một bước sóng đặc trưng Tính chất quang học của nano bạc được áp dụng để chế tạo các bộ phận cảm biến, lọc quang học trong các thiết bị chuẩn đoán phân tử hay các thiết bị quang học

Tính chất được biết đến nhiều nhất của nano bạc là khả năng diệt khuẩn của vật liệu này Nhiều lĩnh vực từ y tế đến sản xuất hàng tiêu dùng đã sử dụng nano bạc như một tác nhân giúp cho các sản phẩm tạo ra có được khả năng chống khuẩn, giúp chăm sóc và bảo vệ sức khỏe con người

Bạc (trong tiếng Latinh có tên là Argentum) là một trong những chất diệt khuẩn hiệu quả được biết đến từ rất sớm trong lịch sử nhân loại Người cổ đại thường dùng các lọ hay bình bằng bạc để chứa nước Những người khai hoang châu

Mỹ đã đặt một đồng tiền bằng bạc vào trong cốc sữa trước khi uống Năm 1700, bạc nitrat được sử dụng để chữa các bệnh hoa liễu, áp xe hậu môn và xương Các nhà thờ thường dùng các ly, cốc làm bằng bạc Bạc và các muối bạc đã được sử dụng rộng rãi từ đầu thế kỷ XIX đến giữa thế kỷ XX để điều trị các vết bỏng và khử trùng [24] Những năm 1940, sau khi penicilin được đưa vào sử dụng, việc dùng bạc để

xử lý nhiễm trùng do vi khuẩn giảm đi Bạc đã được sử dụng trở lại vào những năm

4

1960 khi Moyer sử dụng 0,5% bạc nitrat để chữa vết bỏng Moyer đã đưa ra rằng dung dịch này không gây trở ngại với sự phát triển biểu bì và có tính chất chống

khuẩn Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa và Escherichia coli Năm

1968, bạc nitrat kết hợp với sulfonamide để tạo thành kem sulfadazine, làm tác nhân chống khuẩn được phổ biến rộng rãi để chữa vết bỏng Bạc sulfadazine hiệu quả

trong việc chống các loại khuẩn như E coli, S aureus, Klebsiella sp.,

Pseudomonassp Nó cũng có tác dụng chống nấm, chống virut

Như đã nêu trên, ion bạc có khả năng tiêu diệt hơn 650 chủng vi khuẩn gây bệnh cho người Chủng vi khuẩn gây bệnh cho người không có khả năng tạo đề kháng chống lại tác động của bạc do bạc ức chế quá trình chuyển hóa hô hấp và vận chuyển chất qua màng tế bào vi khuẩn Bạc có khả năng phá hủy enzym vận chuyển chất dinh dưỡng của tế bào vi khuẩn, làm yếu màng, thành tế bào và tế bào chất, làm rối loạn quá trình trao đổi chất, dẫn đến tiêu diệt vi khuẩn [17] Mặt khác, nguyên tố bạc không có hại đối với cơ thể con người kể cả khi ở liều lượng tương đối cao (theo tổ chức bảo vệ môi trường Mỹ, cơ thể con người có thể nhận liên tục 5.10-3 mg Ag+/kg/ngày trong suốt cuộc đời mà không bị ảnh hưởng đến sức khỏe [27] Tuy nhiên, sau khi thuốc kháng sinh được phát minh và đưa vào ứng dụng với hiệu quả cao, người ta không còn quan tâm nhiều đến giá trị diệt khuẩn của bạc Đến những năm gần đây, do hiện tượng các chủng vi sinh ngày càng trở nên kháng thuốc, người ta lại quan tâm trở lại đối với việc ứng dụng khả năng diệt khuẩn và các ứng dụng khác của bạc, đặc biệt là bạc có kích thước nano

Nano bạc ngày nay được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành khác nhau từ

dùng làm chất khử trùng dụng cụ y tế, các thiết bị gia dụng… đến một số ứng dụng

về môi trường Các sản phẩm được làm bằng nano bạc đã được một số cơ quan công nhận như USFDA Hoa Kỳ, EPA Hoa Kỳ, SIAA của Nhật Bản, Viện nghiên cứu và kiểm nghiệm về công nghiệp hóa chất Hàn Quốc và Viện nghiên cứu kiểm tra FITI Như là tác nhân chống khuẩn, nano bạc đã được ứng dụng rộng rãi trong đời sống [12]

5

Nhờ tính chất diệt khuẩn này đã khuyến khích ngành công nghiệp dệt sử dụng nano bạc trong các loại vải sợi khác nhau Theo hướng này, các sợi nanocomposite bạc đã được chế tạo có chứa nano bạc kết hợp bên trong vải Các sợi

bông chứa nano bạc có hoạt tính chống lại Escherichia coli [12]

Trong lĩnh vực y tế nano bạc được sử dụng để tẩm vào các loại băng, gạc băng bó vết thương nhằm tránh nhiễm trùng Hay như việc chế tạo khẩu trang có tẩm nano bạc dùng để diệt vi khuẩn, bảo vệ con người

Hình 1.1 Khẩu trang nano bạc

Trong nông nghiệp người ta đã tạo ra dung dịch thuốc bảo vệ thực vật từ nano bạc có khả năng diệt nấm mốc mà không ảnh hưởng tới sức khỏe con người

Hình 1.2 Dung dịch nano bạc dùng trong thủy sản và nông nghiệp

6

Trong công nghiệp, nano bạc được ứng dụng trong sản xuất sơn kháng khuẩn: bột nano bạc được trộn với sơn và phủ lên các phím điện thoại di động, tường nhà và các bề mặt cần được bảo vệ Với khả năng kháng khuẩn tuyệt vời nano bạc sẽ giữ cho bề mặt không bị nhiễm khuẩn cũng như tiêu diệt nấm mốc làm tăng tính thẩm mỹ và tuổi thọ công trình

Hơn nữa, các tính chất điện hóa của nano bạc được kết hợp với cảm biến nano có thời gian phản ứng nhanh hơn và giới hạn phát hiện thấp hơn Ví dụ, trong nghiên cứu của Manno và cộng sự (2008), các điện cực nano bạc được gắn điện vào các tấm nhôm kính vàng mô phỏng điện cực cho thấy độ nhạy cao đối với hydrogen peroxide Các hạt nano bạc được ứng dụng làm chất xúc tác cho phản ứng hóa học Köhler và cộng sự (2008) đã cho thấy rằng việc tẩy trắng của các thuốc nhuộm hữu

cơ bằng cách sử dụng dung dịch kali peroxodisulphate ở nhiệt độ phòng sẽ được gia tăng mạnh mẽ nếu chứa nano bạc [12]

1.1.1.2 Silica

Silica là tên của nhóm khoáng chất gồm silic và oxy, hai nguyên tố phong phú nhất có trong vỏ Trái đất Silica được tìm thấy phổ biến ở dạng tinh thể, rất ít ở dạng vô định hình

Hình 1.3 Cấu trúc của SiO 2

7

Silica có cấu trúc mạng lưới không gian ba chiều, trong đó mỗi nguyên tử ôxi nằm ở đỉnh, còn silic nằm ở tâm của tứ diện đều, nếu các tứ diện này được sắp xếp một cách trật tự và đều đặn ta có silica cấu trúc tinh thể Ba dạng tinh thể của silic đioxit ở áp suất thường là thạch anh, triđimit và cristobalit Mỗi dạng đa hình này lại có hai dạng: dạng α bền ở nhiệt độ thấp, dạng β bền ở nhiệt độ cao Khi thạch anh dạng α được nung nóng ở 573oC, áp suất khí quyển, nó thay đổi thành dạng β Ở 870oC, triđimit được hình thành và cristobalit được hình thành ở 1470oC Silica rất cứng, trơ về mặt hóa học và có điểm nóng chảy cao (1610oC) nên được ứng dụng trong sản xuất khuôn mẫu, lõi cho sản xuất đúc kim loại và hệ thống lọc nước [11]

Tất cả những dạng tinh thể này đều bao gồm những nhóm tứ diện SiO4 nối với nhau qua những nguyên tử oxi chung Trong tứ diện SiO4, nguyên tử silic nằm ở trung tâm của tứ diện liên kết hóa trị với bốn nguyên tử oxi nằm ở các đỉnh của tứ diện Như vậy, mỗi nguyên tử oxi liên kết với hai nguyên tử silic ở hai tứ diện khác nhau và tính trung bình cứ trên mặt nguyên tử silic có hai nguyên tử oxi và công thức kinh nghiệm của silic đioxit là SiO2 [2]

Ba dạng đa hình của silic đioxit có cách sắp xếp khác nhau của nhóm tứ diện SiO4 ở trong tinh thể: trong thạch anh, những nhóm tứ diện được sắp xếp sao cho các nguyên tử silic nằm trên đường xoắn ốc Tùy theo chiều của đường xoắn ốc mà

ta có thạch anh quay trái hay quay phải Trong triđimit, các nguyên tử silic chiếm vị trí của các nguyên tử lưu huỳnh và kẽm trong mạng lưới vuazit Trong cristobalit, các nguyên tử silic chiếm vị trí của các nguyên tử lưu huỳnh và kẽm trong mạng lưới sphelarit Ngoài ba dạng trên, trong tự nhiên còn có một số dạng khác nữa của silic đioxit có cấu trúc vi tinh thể Mã não là chất rắn, trong suốt, gồm có những vùng có màu sắc khác nhau và rất cứng Opan là một loại đá quý không có cấu trúc tinh thể Nó gồm những hạt cầu SiO2 liên kết với nhau tạo nên những lỗ trống chứa không khí, nước hay hơi nước Opan có các màu sắc khác nhau như vàng, nâu, đỏ, lục và đen do có chứa các tạp chất [2]

8

Gần đây người ta chế tạo được hai dạng tinh thể mới của silic đioxit nặng hơn thạch anh là coesit (được tạo nên ở áp suất 35.000 atm và nhiệt độ 250oC) và stishovit (được tạo nên ở áp suất 120.000 atm và nhiệt độ 1.300oC) [2]

Silic đioxit đã nóng chảy hoặc khi đun nóng, thì bất kì dạng nào khi để nguội chậm đến nhiệt độ hóa mềm đều thu được một vật liệu vô định hình giống như thủy tinh Khác với dạng tinh thể, chất giống thủy tinh có tính đẳng hướng và không nóng chảy ở nhiệt độ không đổi mà hóa mềm ở nhiệt độ thấp hơn nhiều so với khi nóng chảy ra Bằng phương pháp Rơnghen, người ta xác định được rằng trong trạng thái thủy tinh, mỗi nguyên tử vẫn được bao quanh bởi những nguyên tử khác giống như trong trạng thái tinh thể nhưng những nguyên tử đó sắp xếp một cách hỗn loạn hơn [2]

Nhờ đặc điểm cấu trúc lỗ xốp rất phát triển, silica dễ dàng hấp phụ các chất phân cực cũng như các chất có tạo với nhóm hydroxy các liên kết kiểu cầu hydro Silica có thể tái sinh ở nhiệt độ dưới 200oC Do đó thích hợp làm vật mang để gắn hoạt chất

Silica đã được nhiều nước trên thế giới nghiên cứu và ứng dụng do hiệu quả hút ẩm và tính kinh tế cao so với các loại hút ẩm khác Các nước có nền công nghiệp hóa chất mạnh điển hình như Trung Quốc hàng năm sản xuất mặt hàng vật liệu hấp phụ silica với sản lượng rất lớn Silica ngoài ứng dụng hút ẩm còn được sử dụng làm chất xúc tác cho các quá trình sản xuất nhiên liệu, làm chất độn trong cao

su tổng hợp Ngoài ra, silica được dùng rất nhiều làm xúc tác trong tổng hợp hữu cơ lọc – hóa dầu, rượu bia, y tế, lọc nước Với đặc tính xốp silica còn được dùng làm chất xúc tác, chất hấp phụ pha tĩnh trong phân tích sắc ký

1.1.2 Cơ chế diệt khuẩn của nano bạc

Bạc là một nguyên tố có tính kháng khuẩn tự nhiên, có khả năng tiêu diệt nhiều loài vi sinh vật gây bệnh, ngoài ra, bạc là một chất thân môi trường, không gây ảnh hưởng xấu đến con người và động vật khi tiếp nhận một lượng vừa đủ vào

9

cơ thể Đã có nhiều công trình khoa học nghiên cứu giải thích hoạt tính kháng khuẩn của bạc Tuy nhiên, cơ chế chính xác của bạc và ion bạc tấn công vào vi sinh vật như thế nào vẫn đang được tiếp tục nghiên cứu Hiện nay tồn tại một số quan điểm giải thích cơ chế diệt khuẩn của nano bạc được nhiều người ủng hộ, chủ yếu dựa trên sự tương tác tĩnh điện giữa ion bạc mang điện tích dương và bề mặt tế bào

vi khuẩn mang điện tích âm và trên sự vô hiệu hóa nhóm thiol trong men vận chuyển oxy, hoặc trên sự tương tác của ion bạc với ADN dẫn đến sự đime hóa

pyridin và cản trở quá trình sao chép ADN của các tế bào vi khuẩn [9] Các nhà

khoa học thuộc hãng Inovation Hàn Quốc cho rằng bạc tác dụng lên màng bảo vệ của tế bào vi sinh vật Màng này là một cấu trúc gồm protein được liên kết với nhau bằng cầu nối aminoaxit để tạo độ cứng cho màng: các protein này được gọi là peptidoglican Các ion bạc tương tác với các nhóm peptidoglican và ức chế khả năng vận chuyển oxy của chúng vào bên trong tế bào dẫn đến làm tê liệt vi sinh vật Nếu các ion bạc được lấy ra khỏi tế bào ngay sau đó thì khả năng hoạt động của vi sinh vật có thể lại được phục hồi Các tế bào động vật bậc cao có lớp màng bảo vệ hoàn toàn khác so với tế bào vi sinh vật Chúng có hai lớp lipoprotein giàu liên kết đôi có khả năng cho điện tử, do đó không cho phép các ion bạc xâm nhập Vì vậy, chúng không bị tổn thương khi tiếp xúc với ion bạc Do đó, ion bạc không có khả năng tấn công đến các tế bào của động vật bậc cao (trong đó có con người) [8,10]

Ngoài ra, các ion bạc còn có khả năng ức chế quá trình phát triển của vi khuẩn bằng cách sản sinh ra oxi hoạt tính trên bề mặt của hạt bạc:

2Ag+ + O2- → 2Ag0 + O0Theo các nhà khoa học Nga, hiện nay có nhiều lý thuyết về cơ chế tác dụng diệt khuẩn của nano bạc đã được đề xuất, trong đó, lý thuyết hấp phụ được nhiều người chấp nhận hơn cả Bản chất của thuyết này là tế bào vi sinh vật bị vô hiệu hóa

do quá trình tương tác tĩnh điện giữa bề mặt mang điện tích âm của tế bào và ion

Ag+ được hấp phụ lên đó, sau đó các ion này xâm nhập vào bên trong tế bào vi sinh vật và vô hiệu hóa chúng [21] Hiện nay, các nhà khoa học thống nhất thừa nhận

10

rằng tác dụng diệt khuẩn của nano bạc chỉ được bắt đầu sau khi các nguyên tử bạc trên bề mặt hạt nano được chuyển thành dạng ion Ag+ và giải phóng ra môi trường nước xung quanh [13]

Ngoài ra ion bạc còn tác động lên vi khuẩn theo cơ chế: khi ion Ag+ tác dụng với lớp màng của tế bào vi khuẩn gây bệnh nó sẽ phản ứng với nhóm sunphohydril –SH của phân tử enzym vận chuyển oxy và vô hiệu hóa enzym này dẫn đến ức chế quá trình hô hấp của tế bào vi khuẩn [14]

Từ những quan điểm trên, cơ chế diệt khuẩn của nano bạc [10] (hình 5) có thể được tóm tắt như sau: (1) nano bạc có thể gắn vào màng tế bào và làm gián đoạn chức năng thẩm thấu và hô hấp của tế bào, do đó làm chết tế bào và tiêu diệt vi khuẩn, (2) các phản ứng oxy hóa khử (ROS) có thể xảy ra trên bề mặt các phân tử nano bạc và gây tổn hại đến ADN, phá hủy chức năng của thành tế bào, hoặc (3) các ion bạc được tạo ra từ các phân tử nano bạc cũng có thể gây gián đoạn sản xuất ATP và quá trình sao chép AND

Hình 1.4 Cơ chế diệt khuẩn của nano bạc

11

1.1.3 Một số phương pháp điều chế nano Ag/silica

Nano bạc được tổng hợp bằng nhiều phương pháp bao gồm phương pháp khử ion bạc trong môi trường nước với sự có mặt của chất ổn định, khử ion bạc trong các chất liệu có kết cấu xốp, và phương pháp khử ion bạc trên bề mặt các vật liệu được chức năng hóa Các phần tử nano bạc thể hiện những tính chất nổi bật nhờ

tỉ lệ diện tích bề mặt so với thể tích cao, nên được áp dụng trong rất nhiều lĩnh vực hiện nay Tuy nhiên, những ứng dụng này bị hạn chế bởi giá thành cao và khả năng hoạt động của các phần tử nano Để khắc phục yếu điểm này, nano bạc đã được kết hợp với nhiều chất nền như polymers, bột oxit vô cơ Silica là một trong những chất nền có hiệu quả đối với nano bạc

Bạc cấy lên silica là một vật liệu kháng khuẩn rất hiệu quả được sử dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau Tuy nhiên, nhiều báo cáo đã đề cập đến quá trình tổng hợp bạc-silica dùng natri silicat làm tiền chất chỉ giới hạn đến việc dùng duy nhất một loại axit HCl Rõ ràng, natri silicat đã vượt trội tất cả các loại tiền chất silica khác vì nó rẻ tiền và phù hợp cho sản xuất công nghiệp trên quy mô lớn Lợi thế này phải phù hợp với loại axit được chọn cho phản ứng polyme hóa Trong nghiên cứu của Askwar Hilonga và các cộng sự đã khảo sát ảnh hưởng của các loại axit khác nhau như HCl, HNO3 và H2SO4 lên cấu trúc và hoạt tính xúc tác quang của titan rỗng Trong nghiên cứu này thì natri silicate được sử dụng làm tiền chất silica Nghiên cứu này cũng đề cập đến các ion Al3+ được thêm vào để cải thiện tính chất của sản phẩm cuối cùng Vì trên thực nghiệm, các ion Al3+ làm tăng độ bền hóa học của gel bạc-silica Các ion Al3+ làm giảm đáng kể sự biến mất của các ion silica trong dung dịch nước và làm cho quá trình giải phóng ion bạc chậm hơn Các đặc tính của sản phẩm tạo thành cuối cùng được kiểm tra bằng phương pháp BET Kết quả đo bằng phương pháp BET đã cho thấy sản phẩm bạc cấy lên silica dựa trên việc sử dụng axit H2SO4 có những tính chất tối ưu trong tất cả các trường hợp và thích hợp trong sản xuất công nghiệp [6]

12

Gel silica được tổng hợp từ dung dịch natri silicate theo phương pháp gel Dung dịch natri silicate 24% (Na2O3.4SiO2) và 40% (H2SO4) được khuấy đều, tốc độ dòng chảy của các tiền chất được kiểm soát bởi bơm định lượng và axit được thêm vào để tránh không cho quá trình tạo gel nhanh Gel silica được tạo thành từ dung dịch axit theo các phản ứng (1) và (2) Khi dung dịch natri silicate 24% (Na2O3.4SiO2) và 40% (H2SO4) được khuấy đều, sự thủy phân của SiO2 diễn ra và tiếp theo đó là quá trình polyme hóa [22]

xử lí thủy nhiệt Sau 50 giờ, silica gel đã được “già hóa” ở pH=9, gel này tiếp tục xử

lí thủy nhiệt tại 180°C trong 5 giờ để kiểm soát đường kính các mao quản Cuối cùng, silica gel được làm khô ở nhiệt độ 180°C trong 5 giờ và được nghiền thành những vi hạt silica có kích thước dao động trong khoảng 0,5 đến 1mm [23] Để tổng hợp silica được chức năng hóa bởi amin, các nhóm chức amin được gắn lên bề mặt của các vi hạt silica bởi 3-APTES Silica (100g) được trộn đều với 300g nước trong bình 1000ml Sau đó 3-APTES và HNO3 8% được thêm vào hỗn hợp theo phương pháp nhỏ giọt 3-APTES (40g) được nhỏ theo tỉ lệ 20g/phút trong khi HNO3 được thêm vào để duy trì độ pH dưới 4 Hỗn hợp sau đó được làm già hóa dưới 80°C trong 2 giờ và loại bỏ nước Sau đó, sấy khô các hạt silica được chức năng hóa tại nhiệt độ 105°C trong 3 giờ Các phân tử 3-APTES bị thủy phân trong dung dịch axit

13

để tạo thành 3-aminopropyltrihydroxylsilane, chất này sau đó phản ứng với các nhóm -OH hoạt tính trên bề mặt silica Quá trình này kết thúc bằng việc gắn kết các nhóm chức amin trên bề mặt các hạt silica

Các hạt nano bạc được cấy lên silica theo 2 phương pháp:

1 Cấy các ion bạc vào lưới silica, theo sau đó là quá trình khử;

2 Các ion bạc được hút vào silica đã được chức năng hóa và sau đó khử thành nano bạc

Trong phương pháp đầu tiên silica thường được chức năng hóa với các nhóm chức như amin hay thiol Phương pháp này thường có hiệu quả cao và cho ra những phần tử nano bạc rất đồng đều, tuy nhiên việc chức năng hóa silica lại rất tốn kém Phương pháp sau tương đối phổ biến để tổng hợp nano bạc và các nano dạng que ở trong các mao quản của silica, chứa những lỗ nhỏ và phù hợp để kiểm soát các hạt nano, tuy nhiên công nghệ tổng hợp rất phức tạp và không phù hợp đối với sản xuất trên quy mô lớn

Theo phương pháp 2, trước tiên, silica đã chức năng hóa (AFSBs) được khuếch tán trong nước cất Một lượng vừa phải dung dịch AgNO3 0,05M (tương đương với 0,1%, 0,5% và 1% so với khối lượng của AFSBs) được thêm vào và tiếp tục khuấy đều trong 2 giờ Tiếp theo, AFSBs được rửa nhiều lần bằng nước cất để loại bỏ các ion Ag+ tự do trong nước Sau đó, AFSBs được phân tán trong nước cất

và nhỏ vào 1 lượng phù hợp dung dịch NaBH4 0,05M đến khi màu của dung dịch dần dần chuyển sang màu vàng thể hiện sự tạo thành các hạt nano bạc Sau khi phản ứng hoàn thành, mẫu được lọc và rửa sạch với nước cất Cuối cùng, vật liệu Ag/silica được sấy khô tại 100°C trong 3 giờ [22] Quá trình tổng hợp nano bạc gắn trên silica rỗng được mô tả trên hình 1.5

14

Hình 1.5 Quá trình tổng hợp nano bạc gắn lên silica rỗng được chức năng hóa

(Ag-NPBs)

1.2 Ô nhiễm vi khuẩn trong nước

1.2.1 Các vi sinh vật gây bệnh thường có ở trong nước

Tác nhân gây bệnh cho người và động vật qua đường nước thường là các vi sinh vật gây bệnh đường ruột Đặc điểm của các vi sinh vật gây bệnh là sống ký sinh với tế bào vật chủ, phá vỡ tế bào chủ hoặc tiết ra các chất độc tố làm chết vật chủ Các vi sinh vật gây bệnh cho người và động vật gồm có vi khuẩn, các loài nấm, virus, động vật nguyên sinh và giun sán…trong đó chủ yếu là vi khuẩn và virus

Những vi khuẩn gây bệnh hay gặp trong nước là:

- Samlmonella typhi và các loại Salmonella khác: gây bệnh thương hàn ở

người, chúng rất phổ biến trong thiên nhiên, tồn tại trong động vật có sừng, chó, mèo, chim, chuột và cả cá Vi khuẩn này theo phân súc vật vào nước và xâm nhập vào người qua đường ăn uống Người bị ngộ độc sau 4-6 giờ có các triệu chứng tiêu chảy, nôn mửa kéo dài Chúng có thể sống trong nước thải tới 40 ngày [3,19]

- Shigella: thuộc họ vi khuẩn đường ruột Enterobacteriaceae Shigella hiện

diện trong môi trường là có nguồn gốc từ phân người và phân các loài linh trưởng

Trong môi trường nước các loài này có thể tồn tại hơn 6 tháng Shigella chủ yếu gây

nên các triệu chứng lỵ (bệnh lỵ trực trùng) trong khoảng 1-7 ngày sau khi nhiễm

Shigella Vi khuẩn lây nhiễm chủ yếu qua nước và thực phẩm, ngoài ra, Shigella

cũng có thể lây nhiễm trực tiếp từ người sang người Hàng năm có khoảng nửa triệu người tử vong do vi sinh vật gây bệnh này [3]

15

- Vibrio cholerae: là tác nhân điển hình của sự truyền nhiễm nhanh qua nước,

gây bệnh tả với tỉ lệ tử vong khá cao Chúng sống trong nước khá lâu: ở nước cấp thành phố là 1 tháng, ở nước sông 3 tháng và trong nước thải tới 7 tháng [19]

- Proteus morganni: gây bệnh tiêu chảy và xuất huyết ruột, nhất là ở trẻ em

vào mùa hè

- Pseudomonas aeruginosa (trực khuẩn mủ xanh): là vi khuẩn gây bệnh cơ

hội nên trong những điều kiện nhất định chúng có thể xâm nhập vào cơ thể và gây bệnh Trực khuẩn mủ xanh thường gây nhiễm khuẩn có mủ ở các vết thương, vết

mổ, vết bỏng, gây nhiễm khuẩn tiết niệu, nhiễm khuẩn đường hô hấp dưới, nhiễm khuẩn huyết, gây viêm tai, viêm đường tiết niệu, viêm màng não [18]

- Staphylococcus aureus (tụ cầu vàng): thường được tìm thấy trên da, mũi,

tóc hay lông của các loài máu nóng Triệu chứng ngộ độc sau 4-6 giờ là tiêu chảy, nôn mửa [3]

- E coli có tên đầy đủ là Escherichia coli được Buchner tìm ra năm 1885 và được Escherich nghiên cứu đầy đủ năm 1886 E coli có mặt rất nhiều trong phân

người và động vật Trong phân tươi, mật độ của chúng có thể đến 109 CFU/g Chúng được tìm thấy trong nước cống rãnh, trong các công đoạn xử lý và trong tất

cả các nguồn nước và đất vừa mới bị nhiễm phân từ người, động vật hoặc do sản

xuất nông nghiệp Như vậy sự có mặt của E coli ở môi trường bên ngoài chứng tỏ

môi trường đó có khả năng ô nhiễm từ phân [18]

- Coliforms chịu nhiệt được xem như một vi sinh vật chỉ thị sinh học thích

hợp đối với chất lượng nước uống, chúng được sử dụng rộng rãi vì dễ phát hiện và

định lượng Coliforms chịu nhiệt bao gồm những vi khuẩn hình gậy, gram âm có

khả năng phát triển trong môi trường có muối hoặc các chất hoạt tính bề mặt khác

có tính chất ức chế tương tự, có khả năng lên men đường lactose kèm theo sinh hơi, axit và aldehyde trong vòng 24-48 giờ Loại vi khuẩn này không sinh bào tử, có phản ứng oxidase âm tính và thể hiện hoạt tính của B-galactosidase [3]

16

1.2.2 Vi khuẩn chỉ thị ô nhiễm vi sinh trong môi trường nước

Vì số lượng các loài vi sinh vật trong môi trường nước rất nhiều do đó để phát hiện hết tất cả các loài sẽ rất phức tạp và mất nhiều thời gian Vì vậy người ta thường sử dụng các vi sinh vật chỉ thị để đánh giá mức độ ô nhiễm

Những yêu cầu đối với việc lựa chọn chỉ thị vi sinh [19]:

• Vi sinh vật này phải có mặt trong đường tiêu hóa của người khỏe mạnh

• Vi sinh vật có mặt khi vi khuẩn gây bệnh đường tiêu hóa có mặt

• Phải có số lượng lớn hơn nhiều vi khuẩn gây bệnh cùng nguồn nước

• Tồn tại lâu hơn so với vi khuẩn gây bệnh khi ra ngoài đường tiêu hóa

• Chúng có sức đề kháng với môi trường tự nhiên và đòi hỏi quá trình xử lý cao hơn nhiều so với vi khuẩn gây bệnh

• Cần phải dễ dàng phát hiện chúng

• Không phải là vi khuẩn gây bệnh

Theo Tổ chức Y tế thế giới (WHO) [28] hiện nay chưa có chỉ thị vi sinh lý tưởng, nhưng nhóm coliforms là nhóm vi khuẩn có thể thỏa mãn yêu cầu là một chỉ thị vi sinh ở mức độ cao nhất trong số những vi khuẩn được biết Để xác định coliforms người ta dựa vào phát hiện chứ không dựa vào phân lập vi khuẩn Tuy rằng không phải lúc nào coliforms cũng liên quan trực tiếp đến sự hiện diện của ô nhiễm phân hay vi khuẩn gây bệnh trong nước uống nhưng chúng vẫn tiếp tục được

sử dụng để theo dõi chất lượng vi sinh của nước máy sau khi xử lý [1]

Tại Quy chuẩn Kỹ thuật Quốc gia về chất lượng nước ăn uống QCVN 01:2009/BYT do Cục Y tế dự phòng và Môi trường biên soạn và được Bộ trưởng

Bộ Y tế ban hành theo Thông tư số: 04/2009/TT – BYT ngày 17 tháng 6 năm 2009 quy định mức giới hạn các chỉ tiêu chất lượng đối với nước dùng để ăn uống cũng

sử dụng hai thông số vi khuẩn chỉ thị đó là coliforms tổng số và E coli hoặc

17

coliforms chịu nhiệt Theo quy chuẩn này nước ăn uống phải đảm bảo không có

coliforms tổng số và E coli hoặc coliforms chịu nhiệt trong 100 ml nước

1.2.3 Phương pháp định lượng vi khuẩn

Các vi sinh vật có mặt trong nước được định lượng theo nhiều phương pháp khác nhau như đếm số lượng tế bào trực tiếp trên kính hiển vi, đếm số khuẩn lạc mọc trên một môi trường xác định, định lượng một cách thống kê bằng phương pháp pha loãng tới hạn, phương pháp MPN

1.2.3.1 Phương pháp đếm trực tiếp

Phương pháp đếm trực tiếp xác định bằng cách đếm trực tiếp trên kính hiển

vi Phương pháp này cho phép xác định nhanh mật độ vi sinh vật trong mẫu nhưng không phân biệt được giữa tế bào sống và tế bào chết, dễ nhầm lẫn tế bào vi sinh vật với các hạt vật thể khác trong mẫu, do đó, độ chính xác không cao và không thích hợp cho huyền phù vi sinh vật có mật độ thấp [3]

1.2.3.2 Phương pháp đếm khuẩn lạc

Phương pháp đếm khuẩn lạc cho phép xác định số lượng tế bào vi sinh vật còn sống có trong mẫu Phương pháp này cho phép định lượng chọn lọc vi sinh vật tùy môi trường và điều kiện nuôi cấy Trong phương pháp này cần thực hiện pha loãng mẫu bậc 10 liên tiếp sao cho có độ pha loãng với mật độ tế bào thích hợp để xuất hiện các khuẩn lạc riêng lẻ trên bề mặt thạch với số lượng đủ lớn để hạn chế sai số khi đếm và tính toán Mật độ tế bào quá lớn làm các khuẩn lạc chồng chéo lên nhau hoặc tạo thành màng sinh khối Ngược lại số lượng lạc khuẩn trên một đĩa quá nhỏ sẽ không có giá trị thống kê Số lượng khuẩn lạc tối ưu từ 25 – 250 khuẩn lạc/đĩa Phương pháp đếm khuẩn lạc dễ cho sai số lớn nên cần thực hiện lặp lại ít nhất 2 đĩa Phương pháp này có ưu điểm là độ nhạy cao, cho phép định lượng vi sinh vật có mật độ thấp trong mẫu Phương pháp này được sử dụng nhiều đối với kiểm nghiệm vi sinh vật trong nước, thực phẩm, bệnh phẩm [3]

18

1.2.3.3 Phương pháp màng lọc

Phương pháp này xác định số tế bào vi sinh vật dựa vào số khuẩn lạc đếm được sau khi đặt màng lọc lên môi trường thạch có thành phần dinh dưỡng thích hợp cho loại vi sinh vật cần xác định Phương pháp này là sự kết hợp của phương pháp lọc vô trùng và phương pháp đếm khuẩn lạc trên đĩa petri Màng lọc có kích thước lỗ là 0,45µm hoặc 0,2µm được chế tạo từ các nguyên liệu là sợi thủy tinh siêu mảnh, sợi polypropylene, thường được cung cấp trong trạng thái vô trùng [3]

1.2.3.4 Phương pháp MPN (phương pháp số lượng chắc chắn nhất có thể )

Phương pháp MPN là phương pháp pha loãng tới hạn hay phương pháp chuẩn độ Phương pháp này định lượng dựa trên kết quả định tính của một loạt thí nghiệm được lặp lại ở một số độ pha loãng khác nhau, thông thường được thực hiện lặp lại 3 lần ở 3 độ pha loãng bậc 10 liên tiếp Dựa vào kết quả biểu kiến chứng minh sự tăng trưởng của vi sinh vật cần kiểm định trong từng ống nghiệm, ghi nhận

số ống nghiệm dương tính ở từng nồng độ pha loãng, sau đó dựa vào bảng Mac Crady suy ra mật độ vi sinh vật được trình bày dưới dạng số MPN/100ml hay số MPN/1g mẫu Độ chính xác của trị số MPN phụ thuộc vào số lượng ống nghiệm lặp lại trong mỗi độ pha loãng Phương pháp MPN có thể dùng để định lượng mọi nhóm vi sinh vật có thể được nuôi cấy trong môi trường lỏng chọn lọc và cho kết quả biểu kiến thích hợp [3]

Trong khuôn khổ luận văn này, phương pháp đếm khuẩn lạc trên màng lọc được sử dụng để xác định lượng vi khuẩn có trong mẫu Phương pháp này thường được áp dụng cho các mẫu lỏng như nước, sữa và được đánh giá là cho kết quả chính xác hơn so với phương pháp ước đoán MPN Các mẫu chất lỏng được lọc qua màng lọc có kích thước lỗ nhỏ hơn kích thước của vi sinh vật Sau khi lọc, vi sinh vật được giữ lại trên màng lọc Màng được đặt trên môi trường agar hay trên giấy thấm được ngấm môi trường nuôi cấy chất lỏng đã chọn và ủ trong điều kiện xác định Sau khi ủ, đếm các khuẩn lạc xuất hiện trên bề mặt màng lọc

19

Thiết bị lọc có thể bằng thủy tinh, kim loại hoặc nhựa bao gồm phễu lọc, giá

đỡ, màng lọc, bộ thiết bị hỗ trợ hút chân không và bình chứa Màng lọc có lỗ lọc nằm trong khoảng 0,1 – 1 µm Các loại màng lọc dùng cho việc phân tích tổng số vi sinh vật thường có kích thước lỗ lọc là 0,47 µm Đường kính màng lọc có nhiều kích cỡ khác nhau phù hợp với đường kính của phễu lọc, đường kính phổ biến là 45mm, bề dày của màng khoảng 120 µm Đặt màng lọc lên môi trường thạch nuôi cấy sao cho mặt trên của màng ở phía trên, tránh bị bọt khí giữa màng lọc và môi trường thạch, vi khuẩn không tiếp xúc trực tiếp với môi trường nhưng các thành phần của môi trường dễ dàng thấm qua màng và nuôi vi khuẩn phát triển thành khuẩn lạc Một số loại màng lọc có gắn các lưới kỵ nước chỉ cho phép khuẩn lạc phát triển trong mỗi ô của lưới và không lan sang các ô khác tạo điều kiện thuận tiện khi đếm khuẩn lạc

Trong phương pháp này cần thực hiện pha loãng mẫu bậc 10 liên tiếp sao cho có độ pha loãng với mật độ tế bào thích hợp để xuất hiện các khuẩn lạc riêng lẻ trên bề mặt thạch với số lượng đủ lớn để hạn chế sai số khi đếm và tính toán Mật

độ tế bào quá lớn làm các khuẩn lạc chồng chéo lên nhau hoặc tạo thành màng sinh khối Ngược lại số lượng lạc khuẩn trên một đĩa quá nhỏ sẽ không có giá trị thống

kê Số lượng lạc khuẩn tối ưu từ 25 – 250 khuẩn lạc/đĩa

1.3 Các phương pháp khử trùng nước hiện nay

Khử trùng là khâu đặc biệt quan trọng trong xử lý nước ăn uống Khử trùng nước là quá trình làm sạch nước về mặt sinh học, loại bỏ hoặc tiêu diệt các loại vi khuẩn trong đó có các loại vi khuẩn gây bệnh ra khỏi nước

Hiện nay có rất nhiều kỹ thuật đã được sử dụng để khử trùng nước trên cơ sở các tác nhân hóa học và vật lý như clo và dẫn xuất của clo, bức xạ UV, ozon hóa, đun sôi Ở nước ta, 3 kỹ thuật thường sử dụng để khử trùng chính là clo và các dẫn xuất của clo, ozon và tia UV Trong đó, các dẫn xuất của clo được sử dụng nhiều nhất nhờ ưu điểm là khử trùng mạnh và chi phí không cao Tuy nhiên, mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và nhược điểm nhất định

20

1.3.1 Khử trùng bằng clo và dẫn xuất của clo [16]

Clo và dẫn xuất của clo được sử dụng phổ biến trong khử trùng nước vì clo

là chất khử mạnh, dễ áp dụng và giá thành thấp Tuy nhiên, phương pháp này tiềm

ẩn nhiều rủi ro cho con người Hợp chất cơ clo trihalometal (THM) được hình thành trong quá trình khử nước sinh hoạt bằng clo là một tác nhân gây bệnh ung thư ở người Khi sử dụng clo dưới dạng dung dịch nước javen, khí clo hay bột cloramin đều làm cho nước có mùi khó chịu Ngoài ra, nếu sử dụng khí clo hay khí clo đioxit trong khử trùng nước sẽ gặp nhiều khó khăn trong khâu vận hành vì có nguy cơ gây

nổ

1.3.2 Khử trùng bằng tia cực tím (UV) [16]

Phương pháp khử trùng bằng tia cực tím (UV) đầu tiên được sử dụng cho xử

lý nước thải Trong hệ thống tia UV, nước chảy qua đèn tia cực tím để cho các vi khuẩn tiếp xúc với năng lượng ở bước sóng diệt khuẩn là 253,7 nm Sự tiếp xúc này làm thay đổi ADN trong các tế bào của vi sinh vật gây ô nhiễm (vi khuẩn, virut, nấm mốc, tảo ), làm mất khả năng sinh sản của chúng và do đó không gây ra nguy hiểm cho sức khoẻ con người Tại Hoa Kỳ, EPA đã phê duyệt việc khử trùng bằng tia cực tím cho nước uống chỉ đối với các hệ thống không bị ảnh hưởng bởi các nguồn nước mặt Ưu điểm chính của khử trùng bằng tia UV là không sử dụng hóa chất và không sản sinh ra các sản phẩm phụ độc hại Một ưu điểm nữa là khử trùng bằng tia UV hiệu quả hơn sử dụng clo và đòi hỏi thời gian tiếp xúc tương đối ngắn

để vô hiệu hóa vi sinh vật Tuy nhiên, sau khi khử trùng bằng tia UV nước có thể bị tái nhiễm khuẩn trong đường ống dẫn nước, do đó các nhà máy cấp nước hạn chế sử dụng phương pháp này Bên cạnh đó, nước có chất lơ lửng có thể cản trở ánh sáng của tia cực tím, do đó cần đảm bảo độ trong của nước khi ánh sáng đi qua Vận hành và bảo trì hệ thống UV tương đối đơn giản, thêm nữa, chúng tiết kiệm diện tích hơn hệ thống clo, nhưng chi phí cao hơn khử trùng bằng clo

Ozon (O3) là chất ôxy hoá rất mạnh, luôn được tạo ra tại chỗ, nó cực kỳ không ổn định và không thể lưu trữ được dù trong khoảng thời gian ngắn Ozon được tạo ra bằng cách sử dụng điện áp cao trên một khoảng cách (ống) qua đó lọc không khí khô hoặc ôxy tinh khiết được truyền qua (phương pháp phóng điện trục) Dòng năng lượng cao làm cho oxy kết hợp lại tạo ozon thông qua phản ứng sau:

O2 → 2O˙

O2 + O˙ → O3

Ozon khử trùng bằng cách oxy hóa các thành tế bào của vi sinh vật, sau đó phân hủy, tiêu diệt các vi sinh vật Đây là một cơ chế rất khác so với clo, chất này lan truyền qua thành tế bào, làm cho tế bào dễ bị tấn công bằng enzym Do đó, ozon

khử trùng nhanh hơn clo, tiêu diệt E coli nhanh hơn khoảng 3000 lần so với clo

Khử trùng bằng ozon có một số lợi thế đáng kể so với khí clo và các chất khử trùng dựa trên clo khác Thứ nhất, vì ozon luôn được tạo ra ngay tại chỗ, không cần vận chuyển hoặc cất giữ các vật liệu nguy hiểm Thứ hai, ozon có hiệu quả cao

trong việc diệt vi khuẩn, virut và protozoa (ví dụ Giardia lamblia và

pH và nhiệt độ Do đó, ozon biến đổi trở lại ôxy và xâm nhập vào bầu khí quyển khá nhanh nên nước có thể bị tái nhiễm khuẩn trong đường ống dẫn nước

1.3.4 Khử trùng bằng nano bạc

Nano bạc được các nhà khoa học đặc biệt quan tâm ứng dụng trong khử trùng chủ yếu là do các hạt nano bạc có năng lượng bề mặt rất lớn nên khi tiếp xúc với môi trường nước chúng trở thành như một “kho chứa” để giải phóng từ từ các ion bạc vào dung dịch, nhờ vậy lượng bạc “trong kho” không bị các thành phần trong dung dịch vô hiệu hóa nhanh, có thể nói các hạt nano bạc làm duy trì đặc tính diệt vi sinh vật của ion bạc Khả năng ứng dụng nano bạc trong việc khử trùng đã dẫn đến việc xuất hiện nhiều công trình nghiên cứu về cơ chế diệt vi sinh vật của ion bạc trong những năm gần đây như trường hợp đối với muối bạc Khi được thêm vào băng gạc, kem bôi, bình xịt, vải… nano bạc thể hiện chức năng của tác nhân chống viêm nhiễm và có tác dụng diệt khuẩn phổ rộng bằng cách phá hủy chức

năng của màng tế bào vi sinh vật và hoạt tính của các men [13]

Tạo thành hợp chất cơ clo

có hại cho sức khoẻ, làm cho nước có mùi khó chịu, nguy hiểm cho người vận hành [16]

3 Tia cực tím Hiệu quả khử trùng cao,

an toàn cho sức khoẻ con người, không tạo ra sản phẩm phụ [16]

Phụ thuộc vào thiết bị, dễ bị tái nhiễm khuẩn, không thể

áp dụng cho những nơi không thể dùng điện, chi phí cao [16]

4 Ozon Hiệu quả khử trùng cao,

an toàn cho sức khoẻ con người, không tạo ra sản phẩm phụ [16]

Phụ thuộc vào thiết bị tạo ozon, dễ bị tái nhiễm khuẩn, không thể áp dụng cho những nơi không thể dùng điện, chi phí cao [16]

5 RO Hiệu quả khử trùng cao,

lọc được cả vi sinh vật và kim loại nặng [16]

Loại bỏ hoàn toàn khoáng chất có trong nước Công nghệ lọc RO yêu cầu phải

sử dụng điện và giá thành cao [16]

6 Nano bạc Hiệu quả khử trùng cao

Không tạo hợp chất cơ clo

có hại cho sức khỏe

Không có mùi khó chịu

24

Nghiên cứu chế tạo nano bạc ứng dụng trong lĩnh vực khử trùng nước uống

sẽ mở ra một hướng mới trong công nghệ xử lý nước nhằm thay thế các tác nhân khử trùng truyền thống bằng một tác nhân khử trùng an toàn và hiệu quả hơn Ngoài

ra sử dụng nano bạc để chế tạo những vật liệu khử trùng nước dưới dạng cột lọc khử trùng sẽ cho phép người dùng không cần đun nước hay dùng những thiết bị phức tạp mà vẫn tạo được cho mình nước sạch để uống, sản phẩm này rất hữu ích cho những vùng lũ lụt, vùng sâu vùng xa, nơi khan hiếm nước sạch