nghiên cứu phủ nano bạc lên than hoạt tính ứng dụng trong xử lý nước cấp

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Ag: Kim loại bạc AC : Activated Carbon – Than hoạt tính BET: Brunauer Emmett Teller là phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất để xác định diện tích bề mặt riêng vật

MỤC LỤC

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN i

NHẬN XÉT CỦA HỘI ĐỒNG PHẢN BIỆN ii

DANH MỤC HÌNH vi

DANH MỤC BẢNG viii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ix

TÓM TẮT ĐỒ ÁN 1

SUMMARY ……… 2

MỞ ĐẦU 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 5

1.1 TỔNG QUAN VỀ NƯỚC LŨ Ở ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG 5

1.1.1 Nguyên nhân gây ngập lụt ở ĐBSCL 5

1.1.2 Hiện trạng ô nhiễm nguồn nước 6

1.1.3 Hiện trạng sử dụng nước ở ĐBSCL 7

1.2 TÍNH CHẤT CỦA NƯỚC VÙNG LŨ 9

1.2.1 Tính chất lý học 9

1.2.2 Tính chất hóa học 9

1.2.3 Tính chất sinh học 10

1.3 GIỚI THIỆU VỀ THAN HOẠT TÍNH VÀ VỎ TRẤU 12

1.3.1 Giới thiệu và than hoạt tính 12

1.3.1.1 Cấu trúc 12

1.3.1.2 Tính chất 13

1.3.1.3 Ứng dụng 14

1.3.2 Giới thiệu sơ lược về vỏ trấu 14

1.4 GIỚI THIỆU VỀ NANO BẠC 15

1.4.1 Giới thiệu về bạc 15

1.4.2 Giới thiệu về hạt nano bạc 16

1.4.3 Cơ chế diệt khuẩn 17

1.4.4 Ứng dụng của nano bạc 20

1.5 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU NANO BẠC 22

1.5.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 22

1.5.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 23

1.6 ỨNG DỤNG CỦA NANO BẠC TRONG XỬ LÝ NƯỚC 25

1.7 CÁC CHỈ TIÊU TRƯỚC VÀ SAU XỬ LÝ NƯỚC VÙNG LŨ 26

1.8 CỞ SỞ LÝ THUYẾT CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH 26

1.8.1 Phương pháp điều chế nano bạc 26

1.8.1.1 Phương pháp từ trên xuống 26

1.8.1.2 Phương pháp từ dưới lên 27

1.8.2 Phương pháp phân tích hạt nano bạc 28

1.8.2.1 Phương pháp DLS 28

1.8.2.2 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 28

1.8.2.3 Phương pháp hiển vi điện tử (SEM) 30

1.8.2.4 Phương pháp ICP – MS 31

1.8.2.5 Phương pháp TEM 32

1.8.2.6 Phương pháp BET 33

CHƯƠNG 2 NGUYÊN LIỆU, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 35

2.1 ĐỊA ĐIỂM THÍ NGHIỆM 35

2.2 NGUYÊN LIỆU, DỤNG CỤ, HÓA CHẤT 35

2.2.1 Nguyên liệu 35

2.2.2 Hóa chất 37

2.2.3 Dụng cụ 38

2.3 TIẾN HÀNH ĐIỂU CHẾ DUNG DỊCH NANO BẠC 38

2.3.1 Chuẩn bị hóa chất 38

2.3.2 Quy trình điều chế 39

2.3.3 Mô tả quy trình 40

2.3.4 Khảo sát tỷ lệ giữa khối lượng C6H5O7Na3 và khối lượng AgNO3 40

2.3.5 Khảo sát thời gian phản ứng 41

2.4 PHỦ NANO BẠC LÊN THAN HOẠT TÍNH 41

2.4.1 Quy trình thực hiện 41

2.4.2 Mô tả quy trình 42

2.4.3 Khảo sát nồng độ dung dịch nano_Ag 42

2.4.4 Khảo sát thời gian khuấy 42

2.5 KHẢ NĂNG XỬ LÝ NƯỚC CỦA THAN HOẠT TÍNH PHỦ NANO BẠC

43

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 46

3.1 KẾT QUẢ ĐIỀU CHẾ DUNG DỊCH NANO BẠC 46

3.1.1 Kết quả khảo sát tỷ lệ giữa khối lượng C6H5O7Na3 và khối lượng AgNO3

46

3.1.2 Kết quả khảo sát thời gian phản ứng 49

3.2 KẾT QUẢ PHỦ NANO BẠC LÊN THAN HOẠT TÍNH 53

3.2.1 Kết quả khảo sát nồng độ dd nano bạc 53

3.2.2 Kết quả khảo sát thời gian khuấy 54

3.3 KẾT QUẢ ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG XỬ LÝ NƯỚC CỦA THAN HOẠT TÍNH ĐÃ PHỦ NANO BẠC 57

3.4 ĐỀ XUẤT QUY TRÌNH ĐIỀU CHẾ VẬT LIỆU LỌC 60

3.4.1 Quy trình điều chế nano bạc 60

3.4.2 Quy trình phủ nano bạc lên than hoạt tính 61

KẾT LUẬN KIẾN NGHỊ 62

PHỤ LỤC A 64

PHỤ LỤC B 66

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Than hoạt tính 12

Hình 1.2 Vỏ trấu 15

Hình 1.3 Hàm lượng vỏ trấu trong hạt lúa 15

Hình 1.4 Tác động của ion bạc lên vi khuẩn 18

Hình 1.5 Ion bạc vô hiệu hóa enzyme chuyển hóa oxy của vi khuẩn 18

Hình 1.6 Ion bạc liên kết với bazo trên nucleotic của AND 19

Hình 1.7 Bình sữa làm bằng nhựa có pha thêm nano bạc 21

Hình 1.8 Tất làm bằng sợi nilon có pha nano bạc 21

Hình 1.9 Điều hòa sử dụng bộ lọc nano bạc 22

Hình 1.10 Khẩu trang nano bạc 22

Hình 1.11 Sơ đồ nguyên lý hệ thống quang học trong thiết bị DLS 28

Hình 1.12 Nhiễu xạ tia X bởi hai mặt phẳng phân tử 29

Hình 1.13 Máy đo nhiễu xạ XRD 30

Hình 1.14 Kính hiển vi điện tử quét SEM 30

Hình 1.15 Máy đo khối phổ plasma ICP – MS 31

Hình 1.16 Sơ đồ nguyên lý của kính hiển vi điện tử truyền qua 33

Hình 1.17 Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 33

Hình 2.1 Quy trình nghiên cứu chung 35

Hình 2.2 Quy trình điều chế THT từ vỏ trấu 36

Hình 2.3 Bạc Nitrat 37

Hình 2.4 Sodium Citrat 37

Hình 2.5 Máy khuấy từ 38

Hình 2.6 Quy trình điều chế dung dịch nano bạc 39

Hình 2.7 Quy trình phủ nano bạc lên than hoạt tính 41

Hình 2.8 Quy trình xử lý nước sơ bộ 43

Hình 2.9 Quy trình xử lý nước của than hoạt tính phủ nano bạc 43

Hình 2.10 Máy đo độ đục cầm tay HACH 2100Q 44

Hình 2.11 Máy đo cầm tay SPECTROQUANT R MOVE100 45

Hình 2.12 Máy đo TDS cầm tay 45

Hình 3.1 Kết quả DLS của mẫu tỷ lệ 1:1, thời gian phản ứng 30 phút 46

Hình 3.2 Kết quả DLS của mẫu tỷ lệ KL 2:1, thời gian phản ứng 30 phút 47

Hình 3.3 Các mẫu dung dịch nano bạc khảo sáttheo tỷ lệ khối lượng 47

Hình 3.4 Biểu đồ thể hiện đường kính của các hạt nano bạc với các tỷ lệ khối lượng khác nhau 48 Hình 3.5 Các dung dịch nano bạc khảo sát theo thời gian phản ứng 49

Hình 3.6 Kết quả DLS của mẫu tỷ lệ KL 1:1 thời gian phản ứng 30 phút 50

Hình 3.7 Kết quả DLS của mẫu tỷ lệ KL 1:1 thời gian phản ứng 40 phút 50

Hình 3.8 Kết quả DLS của mẫu tỷ lệ KL 1:1 thời gian phản ứng 50 phút 51

Hình 3.9 Kết quả DLS của mẫu tỷ lệ KL 1:1 thời gian phản ứng 60 phút 51

Hình 3.10 Kết quả DLS của mẫu tỷ lệ KL 1:1 thời gian phản ứng 90 phút 52

Hình 3.11 Biểu đồ thể hiện đường kính của các hạt nano bạc trong dung dịch có tỷ lệ 1 : 1 theo thời gian phản ứng 52

Hình 3.12 Biểu đồ thể hiện nồng độ nano_Ag/AC khảo sát theo nồng độ của dung dịch nano_Ag 53

Hình 3.13 Biểu đồ thể hiện nồng độ nano_Ag/AC khảo sát theo thời gian khuấy 55

Hình 3.14 Ảnh SEM của Nano_Ag/AC 55

Hình 3.15 Kết quả chụp TEM 56

Hình 3.16 Giản đồ XRD 56

Hình 3.17 Biểu đồ pH 59

Hình 3.18 Biểu đồ độ đục (NTU) 59

Hình 3.19 Biểu đồ TDS 60

Hình 3.20 Quy trình điều chế nano bạc hoàn chỉnh 60

Hình 3.21 Quy trình phủ nano bạc lên than hoạt tính hoàn chỉnh 61

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Tỷ lệ cấp nước theo các giải pháp cấp nước vùng ĐBSCL trên địa bàn

tỉnh 8

Bảng 1.2 Các thông số kỹ thuật của than hoạt tính 12

Bảng 1.3 Ảnh hưởng của kích thước và nồng độ nano bạc đến khả năng diệt khuẩn một số loài vi sinh vật 20

Bảng 1.4 Khả năng diệt khuẩn của dung dịch nano bạc 25

Bảng 1.5 Các chỉ tiêu của nước vùng lũ[8] 26

Bảng 2.1 Các hóa chất sử dụng 37

Bảng 2.2 Dụng cụ thí nghiệm 38

Bảng 3.1 Nồng độ các dung dịch ban đầu 46

Bảng 3.2 Khảo sát theo tỷ lệ khối lượng 48

Bảng 3.3 Khảo sát theo thời gian phản ứng 52

Bảng 3.4 Kết quả khảo sát nồng độ dd nano bạc 53

Bảng 3.5 Kết quả khảo sát thời gian khuấy dung dịch nano bạc và THT 54

Bảng 3.6 Kết quả xử lý nước của THT phủ nano_Ag 58

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

Ag: Kim loại bạc

AC : Activated Carbon – Than hoạt tính

BET: Brunauer Emmett Teller là phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất

để xác định diện tích bề mặt riêng vật liệu BYT: Bộ y tế

DLS: Dynamic Light Scattering - Phương pháp tán xạ lazerxác định phân bố

kích thước hạt ĐBSCL: Đồng bằng sông Cửu Long

HGĐ : Hộ gia đình

HVS: Hợp vệ sinh

ICP_MS: Inductively Coupled Plasma emission Mass Spectrometry -Phương

pháp xác định phân tích nồng độ của hầu hết các kim loại IUPAC: Liên minh Quốc tế về Hoá học thuần tuý và Hoá học ứng dụng

KL: Khối lượng

PAC: Poly Aluminium Chloride - chất trợ lắng, keo tụ

QCVN: Quy chuẩn Việt Nam

SEM: Scanning Electron Microscope -Kính hiển vi điện tử quét được sử

dụng trong các nghiên cứu về cấu trúc vật liệu TDS: Chất rắn hoà tan

TCVN: Tiêu chuẩn Việt Nam

TEM: Transmission Electron Microscopy– Kính hiển vi điện tử truyền qua là

một thiết bị nghiên cứu vi cấu trúc vật rắn THT: Than hoạt tính

TSS: Chất rắn lơ lửng

TB: Trung bình

TN: Thí nghiệm

XRD: X-Ray Diffraction -Phương pháp nhiễu xạ tia Xđược sử dụng để

nghiên cứu cấu trúc của vật liệu và xác định kích thước hạt tinh thể

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Vấn đề nước sạch ngày càng khan hiếm, vì vậy để nguồn nước uống trở nên an toàn và sạch sẽ, việc tìm kiếm, chế tạo, nghiên cứu ra một vật liệu lọc mới là cấp thiết Vật liệu lọc ứng dụng công nghệ nano là sản phẩm phù hợp với thời đại, mang tính đột phá trong khoa học ứng dụng Cụ thể ở đây là vật liệu than hoạt tính được điều chế từ

vỏ trấu và than hoạt tính này được phủ nano Ag ứng dụng trong xử lý nước mặt Đồ án gồm 3 nội dung gồm điều chế dung dịch nano bạc dựa trên phản ứng của sodium citrate (C6H5O7Na3) với dung dịch bạc nitrat (AgNO3), phủ nano bạc lên than hoạt tính

và khảo sát khả năng lọc nước của than hoạt tính phủ nano bạc với các chỉ tiêu TDS, TSS, độ đục, độ màu, pH, fecal coliform và tổng coliform qua các chiều cao lớp than hoạt tính phủ nano bạc từ 0,5 cm đến 5 cm Dựa vào nghiên cứu đã điều chế được dung dịch nano bạc, phủ thành công nano bạc lên than hoạt tính và hiệu quả lọc nước của than hoạt tính phủ nano bạc đạt hiệu quả xử lý Fecal và Coliform cao đạt 100%

ABSTRACT

To maintain the clean water is one of the most inprotant issues so finding a new filter material is necessary Nano-silver application filter material is one of the good product which is suitable with many field in this age The new filter material, which I create and use to treat the surface water, is activated carbon nano-silver My study have three contents The first one is making the solution of silver nitrate The second one is making the activated carbon nano-silver The last one is survey the filtered capabilities of nano-silver activated carbon with TDS, TSS, turbidity, color, pH, fecal coliform, total coliform through the activated carbon layer from 0,5 cm to 5 cm Based

on the study has been created silver nanoparticle solution, nano silver activated carbon and water purification effectiveness of nano silver activated carbon effectively handle 100% Fecal Coliform and Coliform

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Như chúng ta đã biết Đồng bằng sông Cửu Long có hệ thống sông, kênh, ngòi chằng chịt và hằng năm phải chịu một mùa nước lũ hay còn gọi là mùa nước nổi Việc ngập lụt kéo dài 4 – 5 tháng (từ tháng 6 đến tháng 11) khiến cho người dân tại đây thiếu nguồn nước sạch để sinh hoạt ăn uống Vì là mùa lũ nên lượng nước đổ về đây rất nhiều và bẩn nhưng họ vẫn sử dụng hằng ngày, nguy cơ dịch bệnh xảy ra gây ảnh hưởng đến sức khỏe của người dân

Sau khi bão lũ đi qua, người dân vùng bị thiên tai khẩn trương khắc phục hậu quả, song đang phập phồng lo sợ dịch bệnh bùng phát vì môi trường và nguồn nước sinh hoạt bị ô nhiễm nghiêm trọng Rác từ các nơi theo nước lũ đổ về Hàng chục ngàn tấn rác tấp vào bờ biển khiến bãi biển bị ô nhiễm trầm trọng Do vậy việc xử lý nước phục

vụ ăn uống và sinh hoạt là việc làm cấp bách

Từ lâu loài người đã biết đến tác dụng sát khuẩn mạnh của bạc, những chén bát, thìa nĩa, nồi niêu của người La Mã cổ, của các vua chúa phong kiến và ngay cả chiếc bi đông nhôm tráng bạc của anh chiến sĩ giải phóng đã chứng minh điều đó Tuy nhiên tác dụng này không được ứng dụng rộng rãi vì nếu dùng bạc khối hay phủ bạc khối cũng là quá đắt Qua việc nấu ăn của người Hy Lạp cổ đại bằng nồi bạc, có thể thấy hàng nghìn năm qua, con người đã biết tính chất kháng khuẩn của bạc, và thực tế cho thấy khi ăn bằng bát hoặc thìa bạc thì hợp vệ sinh hơn

Những năm gần đây, công nghệ nano ra đời không những tạo nên bước nhảy đột phá trong ngành điện tử, tin học, y sinh học mà còn được ứng dụng rộng rãi trong đời sống, gạc chữa bỏng được phủ nano bạc, nước rửa rau sống, chất diệt khuẩn khử mùi trong máy lạnh

Than hoạt tính từ lâu đã được chế tạo và sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau, từ ứng dụng trong cuộc sống hằng ngày đến các ứng dụng trong công nghiệp Than hoạt tính với những đặc tính tuyệt vời của mình có thể làm sạch nước, không khí… kết hợp nano bạc với than hoạt tính sẽ đem lại nhiều lợi ích, hiệu quả hơn trong ứng dụng xử lý nước

Do đó, việc Nghiên cứu phủ nano bạc lên than hoạt tính ứng dụng trong xử lý nước vùng lũ là rất cần thiết, góp phần tạo ra một vật liệu lọc nước mới, giải quyết được

phần nào vấn đề nước sạch cho người dân vùng lũ

2 Mục tiêu nghiên cứu

Với đề tài này, mục đích nghiên cứu nhằm tìm ra một vật liệu lọc mới ứng dụng trong lọc nước uống, có thể đáp ứng được nhu cầu của người dân

3 Nội dung nghiên cứu

Nghiên cứu này tập trung vào các nội dung điều chế dung dịch keo nano bạc, sau đó phủ lên than hoạt tính, thu được than hoạt tính phủ nano bạc Khảo sát khả năng lọc nước của than hoạt tính phủ nano bạc có diệt được vi khuẩn hay không

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đề tài này tập trung vào việc điều chế dung dịch keo nano bạc và phủ nano bạc lên than hoạt tính ứng dụng than hoạt tính phủ nano bạc vào việc xử lý nước vùng lũ

5 Ý nghĩa của nghiên cứu

Các đề tài nghiên cứu về phủ nano bạc lên than hoạt tính ở nước ta chưa được phát triển rộng rãi, chưa được biết đến nhều, nên đề tài Nghiên cứu phủ nano bạc lên than hoạt tính ứng dụng trong cử lý nước vùng lũ có thể góp phần vào việc làm tiền đề cho các nghiên cứu sau này

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 TỔNG QUAN VỀ NƯỚC LŨ Ở ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG

1.1.1 Nguyên nhân gây ngập lụt ở ĐBSCL

Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) là phần cuối của một con sông lớn trên thế giới, là một vùng cực nam của Việt Nam, là một bộ phận của châu thổ sông Mê Kông

Có vị trí nằm liền kề vùng Đông Nam Bộ, phía Bắc giáp Campuchia, phía Tây Nam là Vịnh Thái Lan, phía Đông Nam là Biển Đông

Đồng bằng sông Cửu Long là vựa lúa lớn nhất Việt Nam, hàng năm lũ sông Mê Kông tràn về gây ngập lụt trên một diện rộng Lũ ở ĐBSCL đem lại nhiều nguồn lợi cho người dân khu vực, nhưng lũ lụt cũng gây ra thiệt hại không nhỏ về người và của cho người dân nơi đây, làm ảnh hưởng đến sinh kế và các hoạt động kinh tế - xã hội Mưa là nguyên nhân chính gây lũ ở ĐBSCL Sông Mê Kông là sông lớn: dài 4800km, lưu vực rộng khoảng 795.000 km2 Lũ sông Mê Kông là kết quả tập trung nước từ nhiều nguồn: 10% do tuyết tan từ thượng nguồn Tây Tạng, 20% do mưa ở thượng Lào, 40 – 45% do mưa ở hạ Lào, 10% mưa ở Campuchia và 10% do mưa ở ĐBSCL Như vậy, mưa là nguyên nhân hàng đầu gây lũ ở ĐBSCL Nằm trong vùng

có khí hậu nhiệt đới gió mùa, lượng mưa trung bình hàng năm ở ĐBSCL khoảng 1500 – 2000 mm Lượng mưa cao ở vùng ven biển Tây (2200 – 2400 mm) và thấp hơn ở vùng trung tâm Đồng Tháp Mười (1400 – 1600 mm) với trung bình 140 ngày mưa (nơi mưa nhiều 150 – 160 ngày, nơi mưa ít 110 – 120 ngày) Mùa mưa thường bắt đầu vào tháng 5 và kết thúc vào tháng 10.Mưa lớn tập trung vào các tháng 8, 9 và 10 Trong các tháng giữa mùa mưa, hầu hết các nơi đều cho lượng mưa xấp xỉ 200 mm, thậm chí trên 300 mm Ngập lũ lớn ở ĐBSCL xảy ra khi có tổ hợp nước lũ từ thượng nguồn, triều cường ở biển Đông và mưa liên tục tại chỗ Ngoài ra, diễn biến lũ ở ĐBSCL ngày càng trở nên phức tạp do việc làm các đê bao, đập chắn nhiều nơi và sự phân lũ chưa hợp lí[1]

Các hồ thủy điện xả tối đa công suất có thể sẽ làm cho lưu lượng nước tăng độtbiến gây lũ Vào mùa mưa, khi mực nước trong các đập nước dâng cao thì các đập buộc phải xả nước làm cho ở hạ nguồn bị lũ nặng nề hơn, khó kiểm soát hơn

Không cần phải mưa lớn mới có lụt Ngay trong mùa khô, chỉ cần triều cường mạnh, kết hợp với gió chướng và thuỷ triều thiên văn, đặc biệt vào ngày xuân phân 21/3 dương lịch là đủ gây lụt ở những vùng đất thấp như một số vùng duyên hải Nam

Bộ và một số vùng của Sài Gòn Triều cường tháng 9 kết hợp với mưa, nước lũ tạo lụt lội trầm trọng hơn ở ĐBSCL Ngoài ra, còn nhiều những nguyên nhân khác làm trầm trọng thêm tình trạng lũ lụt cho khu vực, như: địa bàn vùng ngập lũ và những hoạt động khai thác của con người có ảnh hưởng đến việc thoát lũ và ngập lụt

1.1.2 Hiện trạng ô nhiễm nguồn nước

Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) là một trong hai vựa lúa lớn của cả nước, song hằng năm lũ sông Mê Kông trên thượng nguồn tràn về gây ngập lụt, kéo dài 4 – 6 tháng, không những gây trở ngại đối với sản xuất mà trong đời sống con người còn gây thiệt hại đáng kể

Mùa lũ làm các bãi rác ngập sâu từ 0,5 – 1,2 mét, do vậy các chất thải nhưrác hữu

cơ, phân người, súc vật chết đều hòa vào trong nước, đổ về các dòng sông Có nhiều bãi rác tự động nổi lên, tự trôi lênh đênh trên sông, chưa kể rác do người dân tự đổ xuống dòng sông.Điều này đã gây ô nhiễm nghiêm trọng cho các dòng sông

Mưa, lũ kéo theo một lượng lớn rác thải từ các nhà máy công nghiệp, từ sản xuất nông nghiệp,… ở các vùng thượng lưu kéo về gây ô nhiễm nước ở các vùng hạ lưu Đăc biệt là lũ kéo theo lượng lớn thức ăn thừa từ các bè nuôi cá trên sông từ vùng thượng lưu về gây ô nhiễm nguồn nước ở vùng hạ lưu

Độ đục cát bùn lơ lửng trung bình năm của sông Mê Kông thường khoảng 1660) g/m3trong các tháng VII - IX Trên các kênh rạch, độ đục cát bùn thường dưới

(500-50 g/m3, một số nơi tới (70 – 100) g/m3 Tổng lượng cát bùn lơ lửng trung bình năm của sông Mê Kông khoảng 215 triệu tấn

Độ khoáng hoá trung bình năm của nước sông khoảng (100 – 150) mg/l Nước sông thuộc lớp hydro cacbonat nhóm Canxi kiểu I; ion HCO3- chiếm (75 – 80)% tổng đương lượng các anion, ion Ca2+ chiếm khoảng 50% tổng đương lượng các cation Độ

pH khoảng (6,7 – 7,7) Độ cứng khoảng 1 mg-e/l hơi lớn hơn độ kiềm

Nhìn chung, chất lượng nước trên dòng chính có sự biến đổi theo mùa rõ rệt Hàm lượng các chất hòa tan trong mùa cạn cao hơn trong mùa lũ Chất lượng nước lũ ở dọc biên giới còn tốt, không chua, hàm lượng các độc tố trong giới hạn cho phép; nhưng

do phần lớn phù sa lắng đọng trên phần đồng bằng thuộc lãnh thổ Campuchia, nên khi chảy tràn qua biên giới vào Đồng bằng sông Cửu Long, hàm lượng phù sa trong nước

lũ rất thấp, tháng cao nhất cũng không quá 200 g/m3

Trong vùng ngập lụt, diễn biến của chất lượng nước khá phức tạp do bị chi phối bởi các yếu tố khí hậu, thủy văn và hoạt động của con người Hàm lượng các chất hòa tan chính như: Na, K, Ca2+, Mg2+,

Fe2+, Al3+, SO42+, Cl-, HCO3- biến đổi theo mùa, mùa cạn cao hơn mừa lũ; nhưng nhìn chung vẫn nằm trong giới hạn cho phép Tuy nhiên, nước mặt ở Đồng bằng sông Cửu Long bị ô nhiễm vi sinh cao với nồng độ Coliform trung bình khoảng 300.000 - 1.500.000 con/100ml, nguyên nhân chủ yếu là do thải trực tiếp các chất thải sinh hoạt, công nghiệp và thuốc trừ sâu vào nguồn nước không qua xử lý làm sạch[2]

Nước chua là một vấn đề lớn, nhất là ở vùng ngập lụt Nước chua chủ yếu phát sinh trong vùng đất phèn mà trong Đồng bằng sông Cửu Long có khoảng 1,6 triệu ha đất

phèn Thời gian bị bị chua thường từ tháng V đến tháng VII, một số nơi đến tháng VIII, IX Riêng hai vùng ngập lụt Đồng Tháp Mười và Tứ giác Long Xuyên còn bị chua vào cuối mùa lũ, đầu mùa cạn, vào hai tháng XII – I Sự lan truyền của nước chua ảnh hưởng lớn đến chất lượng nước và tác động xấu đến sản xuất và đời sống

Chế độ thuỷ văn ĐBSCL chịu ảnh hưởng mạnh của dòng chảy sông Mê Kông, thuỷ triều biển Đông, vịnh Thái Lan và chế độ mưa nội vùng Do có 2 phía giáp biển nên vùng ven biển bị mặn xâm nhập mạnh, vào mùa khô mặn xâm nhập sâu vào nội đồng Nước sông ngòi, kênh rạch và trong đồng ở ven biển còn bị nhiễm mặn, nhất là vào mùa cạn, mặn xâm nhập sâu vào trong hệ thống sông ngòi kênh rạch và đồng ruộng; xâm nhập sâu nhất thường vào các tháng II – IV, khi lượng nước từ thượng nguồn đổ

về ít

Tóm lại, nhìn chung nước sông ngòi, kênh rạch trong Đồng bằng sông Cửu Long còn tốt, nhưng đã và đang bị ô nhiễm với mức độ khác nhau bởi nước thải và chất thải không qua xử lý làm sạch từ các khu dân cư, các đô thị, khu công nghiệp, các tàu thuyền trên sông và từ đồng ruộng sử dụng thuốc trừ sâu và phân hóa học Ngoài ra, nước mặt còn bị nhiễm chua phèn và bị nhiễm mặn ở vùng ven biển

1.1.3 Hiện trạng sử dụng nước ở ĐBSCL

Liên tiếp trong những năm gần đây do ảnh hưởng của sự biến đổi khí hậu, hiện tượng lũ lớn, lũ quét đã xảy ra với tần suất, qui mô và cường độ ngày càng gia tăng gây ngập lụt trên diện rộng, cách ly các vùng dân cư, khiến cho công tác cứu nạn cứu

hộ gặp nhiều khó khăn Ngoài ra nhiều nơi ở nước ta đang bị ô nhiễm nguồn nước trầm trọng Người dân phải dùng nước không đảm bảo cho sinh hoạt hàng ngày Đặc biệt là vùng đồng bằng sông Cửu Long, mỗi mùa nước nổi, người dân phải dùng nước sông, nước hồ đánh phèn để sử dụng

Đồng bằng sông Cửu Long gồm 13 tỉnh và thành phố, tổng dân số là 18 triệu người, chiếm 20% dân số cả nước, trong đó có trên 80% dân số sống ở vùng nông thôn Hiện nay tỷ lệ dân cư nông thôn được sử dụng nước đạt tiêu chuẩn còn ở mức thấp, nhiều vùng dân cư người dân gặp khó khăn về nước sạch, phải mua nước từ xa về với giá cao, đòi hỏi phải có đánh giá tổng thể về hiện trạng cấp nước sinh hoạt nông thôn, từ

đó đề xuất các giải pháp phát triển cấp nước nhằm đáp ứng các mục tiêu về cấp nước nông thôn của Chiến lược cấp nước và Vệ sinh Môi trường nông thôn đến năm 2020 là: Đến năm 2020 tất cả dân cư nông thôn sử dụng nước sạch đạt tiêu chuẩn chất lượng quốc gia và của Quy hoạch xây dựng Vùng đồng bằng sông Cửu Long đến năm 2020

và tầm nhìn đến năm 2050 là: tỷ lệ cấp nước sạch đạt 100% đến năm 2020, tiêu chuẩn cấp nước 80 - 100 lít/người/ngày đêm Hiện trạng cấp nước vùng ĐBSCL phân tích đánh giá, xác định các vấn đề còn tồn tại, từ đó đề xuất các giải pháp đồng bộ, cả về

công trình và phi công trình, từ các giải pháp kỹ thuật, công nghệ, lựa chọn loại hình cấp nước nông thôn, nguồn nước, quy mô công trình, vốn đầu tư đến hình thức quản lý công trình cấp nước nông thôn

Hiện nay ở vùng ĐBSCL có các loại hình cấp nước chủ yếu, bao gồm công trình cấp nước tập trung (CTCN), giếng khoan, giếng đào, bể chứa nước mưa, bể lọc chậm

và lu chứa nước mặt hộ gia đình (HGĐ) Tổng dân số nông thôn vùng ĐBSCL là trên

14 triệu dân, trong đó số dân được sử dụng nước hợp vệ sinh (HVS) đạt 75,82 %, số dân sử dụng nước đạt QC02 chiếm tỷ lệ 36,52% Theo đó tỉnh có tỷ lệ dùng nước HVS cao nhất là tỉnh Long An, đạt 89,8%, thấp nhất là tỉnh Trà Vinh, đạt 66% Tỷ lệ dân cư được sử dụng nước đạt QCVN 02:2009/BYT, theo số liệu thu thập được, cao nhất là

Dân số nông thôn 2012

Nước sông, kênh, ao làng

bể chứa nước mưa là 4,2% và cấp nước HVS HGĐ từ nước sông, kênh, ao hồ là 4%

Tỷ lệ dân sử dụng nước không HVS là 24% Tỷ lệ nước cấp HVS từ giếng đơn lẻ ở mức cao tại các tỉnh Cà Mau, Bạc Liêu, Trà Vinh và Sóc Trăng là các tỉnh có nguồn nước ngầm dồi dào và có chất lượng tốt, ở mức thấp tại các tỉnh Vĩnh Long, Đồng Tháp là những tỉnh có nước ngầm bị nhiễm phèn, đòi hỏi phải có xử lý trước khi sử dụng Xu hướng phát triển các loại hình cấp nước vùng ĐBSCL có sự thay đổi trong thời gian qua Tỷ lệ dân sử dụng nước từ sông, kênh, ao hồ, giếng nhỏ lẻ hộ gia đình giảm dần và tỷ lệ dân sử dụng nước từ các công trình cấp nước tăng dần, tuy nhiên mức độ tăng ở các tỉnh có khác nhau

1.2 TÍNH CHẤT CỦA NƯỚC VÙNG LŨ

1.2.1 Tính chất lý học

 Nhiệt độ: Trong khu vực khảo sát nhiệt độ nước biến động từ 27,4 – 33,5oC tùy vào loại thủy vực nhưng cao nhất là trên ruộng Tuy nhiên, nhiệt độ khoảng giới hạn này vẫn thích hợp cho sự tồn tại và phát triển của thủy sinh vật đặc biệt là kích thích sự phân giải các chất hữu cơ diễn ra nhanh chóng

 pH: yếu tố này biến động rất lớn trên ruộng và ao.Ao mới đào có pH thấp mặc

dù một lượng vôi rất lớn đã được bón cho ao Trên ruộng pH xuống rất thấp khi mưa lũ và nước bắt đầu tràn bờ lên ruộng

1.2.2 Tính chất hóa học

 Hàm lượng oxy hòa tan: biến động lớn (1,6 – 10,6 mg/l) Trên sông có hàm

lượng oxy hòa tan luôn dưới 5 mg/l Như vậy ở khu vực này, trên sông có nhiều vật chất phân giải cần nhiều oxy

 Hàm lượng độc tố H 2 S: hàm lượng nàybiến động từ 0,06 – 0,24 mg/l Mặc dù

nước giàu hữu cơ nhưng quá trình tạo H2S chưa đến mức gây độc cho thủy vực, tuy nhiên cần lưu ý trong khoảng thời gian dài tích tụ sẽ tạo nhiều H2S và gây độc cho thủy vực

 Hàm lượng Fe tổng: biến động lớn trong khoảng 0,08 – 0,214 mg/l, hàm lượng

chưa xác định rõ độ gây độc thực tế So sánh kết quả về pH thì không có sự tương quan nên có thể nói yếu tố này là cơ sở cho việc phất hiện độ độc do sắt, cần lưu tâm về nhóm Fe2+ và độ sụt giảm của pH

 Hàm lượng muối dinh dưỡng

Tổng lân: hàm lượng cao (30,8 mg/l) trong khi đó lượng PO43- lại rất thấp(0,012 – 1,3 mg/l) Có khả năng nơi đây có nguồn nước ô nhiễm bởi chất hóa học như thuốc trừ sâu gốc lân, chúng tích lũy trong đất và tồn tại trong môi trường nước một thời gian dài

Tổng đạm: khá cao (54,6 mg/l), đặc biệt là hàm lượng này tồn tại trên sông

nhưng NH4+ lại biến động không nhiều (0,01 – 2,43 mg/l), điều này cho thấy nguồn nước sông chứa nhiều vật chất hữu cơ, cần chú ý lưu thông nước để tạo nguồn nước sạch cho sinh hoạt

 COD: biến động trong khoảng 6,9 – 30,8 mg/l Thể hiện mức dinh dưỡng trung

bình và cao của thủy vực, cần lưu ý cải tạo chế độ nước nhất là nguồn nước sông

1.2.3 Tính chất sinh học

 Thực vật nổi (phytoplankton)

Khu vực khảo sát ở vùng trũng vào mùa mưa theo kết quả phân tích có 93 loài tảo được phát hiện, trong đó tảo khuê có thành phần loài phong phú nhất với 30 loài, ngoài

ra thành phần loài tảo lục và tảo mắt cũng phong phú không kém (27 loài)

Sự đa dạng về thành phần loài tảo khuê thể hiện tính phụ thuộc thủy triều của nguồn nước, tuy nhiên, thành phần loài tảo mắt khá cao thể hiện hàm lượng chất hữu cơ trong nước cao Đến mùa lũ, lượng nước trên sông gia tăng và sự trao đổi nước diễn ra mạnh hơn nên thành phần loài gia tăng nhưng sau đó giảm lại do tính chất trao đổi nước yếu dần Các loài thường gặp ở khu vực khảo sát bao gồm: Closteria restimargianum, Navicula cuspidate, Euglena minima, Euglena oblonga, Trachelomonas volvocina, Oascilatoria irrigua và Oscilatoria lomosa

Số loài tảo phát hiện được trên ruộng thấp hơn rất nhiều so với thành phần loài trên sông, chúng biến động trong khoảng 13 – 30 loài, đa phần là tảo lam và tảo khuê Hệ thống đê bao cản trở sự lưu thông khiến cho thành phần loài không được phong phú, hơn nữa việc sử dụng nông dược có khả năng làm hạn chế sự phát triển của nhiều nhóm động vật khiến cho lượng chất hữu cơ lo lửng không được sử dụng và chuyển hóa thành nguồn muối dinh dưỡng cho nhu cầu của nhiều nhóm thực vật nổi Các loài thường xuất hiện gồm: Fragilaria contruens, Gomphonema longiceps, Euglena

acutissima, Phacuc torta, P.alata, P longgicauda, Euglena spirpgyra và Phormidium

molie[4]

Số lượng tảo biến động lớn tùy theo loại thủy vực nhưng ở mức độ thấp, trong khoảng 132000 – 720000 ct/L Ngành tảo mắt luôn có số lượng cao và chiếm tỉ lệ đáng kể Số lượng tảo trong ao mới tăng dần và theo sự biến đổi số lượng tảo trên sông Có thể xem như nguồn nước sông đã cải tạo cho ao mới này được sự thích hợp hơn đối với hoạt động của nhiều loài sinh vật Trong những tháng cuối năm, nguồn nước sông bổ sung vào và nước lũ xuất phát từ thượng nguồn nên đa số tảo chiếm ưu thế không còn là tảo khuê mà chuyển sang vai trò ưu thế của tảo lam đây là một đặc tính thể hiện mức độ xa biển của thủy vực này

Tảo lục và tảo mắt luôn chiếm ưu thế ở ruộng trong khi đó trên sông không có sự ưu thế tuyệt đối Sự tích lũy nước trong thời kỳ lũ kết hợp với nguồn dinh dưỡng từ ruộng luôn khiến cho tảo có điều kiện phát triển tạo đỉnh cao về số lượng và khi đó tảo mắt lại chiếm ưu thế

 Động vật nổi (Zooplankton)

Trong các thủy vực nghiêm cứu ở vùng ngập lũ đã xác định được 44 loài động vật nổi thuộc 3 nhóm chính là Rotatoria có 32 loài (chiếm tỉ lệ 72,73%), Cladocera và Copepodacó 6 loài (chiếm tỉ lệ 13,64%) Nhìn chung thành phần loài thuộc nhóm trùng bánh xe phong phú nhất, nó thể hiện được tính phân bố rộng của chúng

Thành phần loài trên sông biến động lớn, số loài có khuynh hướng tăng dần khi lũ đến, sự trao đổi nước mạnh làm cho số loài biến động nhiều Các loài thường gặp trên sông bao gồm Brachionus angularis, B faltacus, Trichocera longiseta, Diaphanosoma leutenbergianum, Moinodaphnia macleyi và Neodiaptomus visnu

 Động vật đáy (Zoobenthos)

Đã phát hiện được 12 loài động vật đáy thuộc 6 nhóm khác nhau trong đó Bivalvia

có thành phần loài cao hơn cả là 4 loài (33,33%), kế đến là Oligochaeta có 3 loài (25%), Gastropoda có 2 loài (16,67%) và cuối cùng là Polychaeta, Insecta và Crustacea có 1 loài trong mỗi nhóm (8,33%) Các khu vực đều có thành phần tương tự

nhau

Thành phần loài động vật đáy thu được trên sông phong phú hơn trong các thủy vực khác đặc biệt sự xuất hiện của loài Namalycaslis longicirris thể hiện vùng nước chịu tác động của thủy triều Thành phần loài động vật đáy trên ruộng đơn giản hơn trên sông rất nhiều, nó chịu chi phối mạnh bởi các tác động canh tác của con người, chỉ có

nhóm giun đốt và ấu trùng muỗi, giáp xác rất hiếm gặp

Số lượng động vật đáy biến đổi theo cấu trúc nền đáy thủy vực và điều kiện dinh dưỡng Trong khu vực này ta thấy số lượng động vật đáy trên sông ổn định và nằm ở giới hạn cao (0,000-559,107 g/m2), số lượng này do nhóm sự chi phối của nhóm 2 mảnh vỏ

1.3 GIỚI THIỆU VỀ THAN HOẠT TÍNH VÀ VỎ TRẤU

1.3.1 Giới thiệu và than hoạt tính

Than hoạt tính là một chất gồm chủ yếu là nguyên tố carbon ở dạng vô định hình (bột), một phần nữa có dạng tinh thể vụn grafit Ngoài carbon thì phần còn lại thường

là tàn tro, mà chủ yếu là các kim loại kiềm và vụn cát Than hoạt tính có diện tích bề mặt ngoài rất lớn nên được sử dụng như một chất lý tưởng để hút nhiều loại hóa chất

Than hoạt tính là vật liệu xốp, có bề mặt riêng từ cao đến rất cao, thường được dùng làm vật liệu mang các chất xúc tác chứa kim loại quý trong phản ứng hydro hóa các hợp chất hữu cơ, đặc biệt là pha lỏng

Kích thước của lỗ xốp được tính bằng khoảng cách giữa hai cạnh của rãnh hoặc đường kính của ống xốp Theo tiêu chuẩn của IUPAC thì kích thước lỗ xốp được chia

ra làm 3 loại: micro pore có kích thước bé hơn 2 nm, meso pore có kích thước từ 2 –

50 nm và macro pore có kích thước từ 50 nm trở lên

Diện tích bề mặt riêng của than hoạt tính được đo bằng m2/g và là một thông số hết sức quan trọng đối với than, cho biết khả năng hấp phụ của than hoạt tính 95% diện tích bề mặt riêng của than là diện tích của những lỗ xốp micro.Những lỗ xốp meso có diện tích bề mặt chiếm không quá 5% tổng diện tích bề mặt của than.Những lỗ xốp kích thước lớn không có nhiều ý nghĩa trong hoạt tính của than vì diện tích bề mặt

riêng của chúng không đáng kể

Kích thước hạt ảnh hưởng lớn đến khả năng tiếp cận của chất được hấp phụ tới bề mặt của than.Kích thước càng nhỏ thì khả năng tiếp cập càng dễ và quá trình hấp thụ diễn ra càng nhanh.Điều này đặc biệt có ý nghĩa khi hấp thụ trong hệ khí có áp suất thấp.Tính toán kỹ được phân bố kích thước hạt giúp chúng ta có thể chọn lựa được những thông số áp suất tối ưu để giảm thiểu tối đa mức tiêu thụ năng lượng

Chỉ số iot đặc trưng cho diện tích bề mặt của lỗ xốp cũng như khả năng hấp phụ của than Chỉ số iot được tính bằng khối lượng iot có thể được hấp phụ bởi một đơn vị khối lượng của than (mg/g) Nguyên lý của phương pháp đo dựa trên sự hấp phụ lớp đơn phân tử iot trên bề mặt của than Chỉ số iot càng lớn thì mức độ hoạt hóa càng cao Giá trị của chỉ số iot rơi vào khoảng 500 – 1200 mg/g Từ giá trị của chỉ số iot có thể tính

ra được diện tích bề mặt riêng của than

Than hoạt tính có chứa nhóm chức cacboxyl trên bề mặt nên có thể được sử dụng làm chất mang nano bạc do các nhóm chức cacboxyl hay lacton có tương tác mạnh với các hạt nano bạc Tính chất này có thể giúp cố định các hạt nano bạc lên trên bề mặt vật liệu than hoạt tính, tạo ra vật liệu chứa nano bạc hiệu quả

Thuộc tính làm tăng ý nghĩa của than hoạt tính còn ở phương diện nó là chất không độc (kể cả một khi đã ăn phải nó), giá thành sản xuất rẻ (được tạo từ gỗ và nhiều phế chất hữu cơ khác như từ vỏ, xơ dừa, trấu, tre)

Chất thải của quá trình chế tạo than hoạt tính dễ dàng được tiêu hủy bằng phương pháp đốt Nếu như các chất đã được lọc là những kim loại nặng thì việc thu hồi lại, từ tro đốt, cũng rất dễ

 Trong xử lý nước (hoặc lọc nước trong gia đình): để tẩy các chất bẩn vi lượng

 Do có cấu trúc xốp và bản thân xung quanh mạng tinh thể của than hoạt tính có một lực hút rất mạnh, do đó than hoạt tính có khả năng hấp phụ khác thường đối với các chất có gốc hữu cơ

 Than hoạt tính được sử dụng để hấp phụ các hơi chất hữu cơ, chất độc, lọc xử

lý nước sinh hoạt và nước thải, xử lý làm sạch môi trường, khử mùi, khử tia đất

và các tác nhân gây ảnh hưởng có hại đến sức khỏe con người, chống ô nhiễm môi trường sống Đem lại một môi trường sống trong sạch cho con người

 Các ngành công nghiệp chế biến thực phẩm, công nghiệp hóa dầu, sản xuất dược phẩm, khai khoáng, nông nghiệp, bảo quản, hàng không vũ trụ, lĩnh vực quân sự đều cần phải sử dụng than hoạt tính với khối lượng rất lớn

1.3.2 Giới thiệu sơ lược về vỏ trấu

Nước ta là nước có nền văn minh lúa nước rất lâu đời, từ lâu cây lúa đã gắn liền với đời sống của nhân dân Không những hạt lúa được sử dụng làm thực phẩm chính, mà các phần còn lại sau khi đã thu hoạch lúa cũng được người dân tận dụng trở thành những vật liệu có ích trong đời sống hàng ngày Ví dụ rơm được sử dụng lợp nhà, cho gia súc ăn, làm chất đốt, hoặc ủ làm phân Trấu được sử dụng làm chất đốt hay trộn với đất sét làm vật liệu xây dựng… Không những trấu được sử dụng làm chất đốt trong sinh hoạt hàng ngày mà còn được sử dụng như là một nguồn nguyên liệu thay thế cung cấp nhiệt trong sản xuất với giá rất rẻ

Trấu là lớp vỏ ngoài cùng của hạt lúa và đƣợc tách ra trong quá trình xay xát Trong

vỏ trấu chứa khoảng 75% chất hữu cơ dễ bay hơi sẽ cháy trong quá trình đốt và khoảng 25% còn lại chuyển thành tro Chất hữu cơ chứa chủ yếu cellulose, lignin và Hemi - cellulose (90%), ngoài ra có thêm thành phần khác nhƣ hợp chất nitơ và vô cơ.Lignin chiếm khoảng 25 – 30 % và cellulose chiếm khoảng 35 – 40%

Các chất hữu cơ của trấu là các mạch polycarbohydrat rất dài nên hầu hết các loài sinh vật không thể sử dụng trực tiếp đƣợc, nhƣng các thành phần này lại rất dễ cháy nên có thể dùng làm chất đốt Sau khi đốt, tro trấu có chứa trên 80% là silic oxyt, đây

là thành phần đƣợc sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực

Hình 1.2 Vỏ trấu

Đặc điểm của vỏ trấu

Vỏ trấu do hai lá của gié lúa là vảy lá và mày hoa tạo thành Cả hai phần này đƣợc ghép liền với nhau theo nếp dọc bằng một nếp gấp cài vào nhau Tùy theo từng loại mà trấu có chiều dài từ 5 – 10 mm, chiều ngang bằng 1/2 – 1/3 chiều dài

Hình 1.3 Hàm lƣợng vỏ trấu trong hạt lúa

1.4 GIỚI THIỆU VỀ NANO BẠC

1.4.1 Giới thiệu về bạc

Bạc là tên một nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn nguyên tố có ký hiệu Ag và

số hiệu nguyên tử bằng 47 Là một kim loại chuyển tiếp màu trắng, mềm, nó có tính

dẫn điện cao nhất trong bất kỳ nguyên tố nào và có độ dẫn nhiệt cao nhất trong tất cả kim loại Kim loại bạc xuất hiện trong tự nhiên ở dạng nguyên chất, như bạc tự sinh,

và ở dạng hợp kim với vàng và các kim loại khác, và ở trong các khoáng vật như argentit và chlorargyrit Hầu hết bạc được sản xuất là một sản phẩm phụ của điều chế đồng, vàng, chì, và kẽm

Cấu hình electron của bạc: 1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s1

Bán kính nguyên tử Ag: 0,288 nm

Bán kính ion bạc: 0,23 nm

1.4.2 Giới thiệu về hạt nano bạc

Hạt nano bạc là các hạt bạc có kích thước từ 1 nm đến 100 nm Do có diện tích bề mặt lớn nên hạt nano bạc có khả năng kháng khuẩn tốt hơn so với các vật liệu khối do khả năng giải phóng nhiều ion Ag+ hơn

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 nhất Nano bạc có thể được tích hợp vào các sản phẩm đa dạng từ các loại pin quang điện, các sản phẩm điện từ, 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 cao, ổn định và có độ bền cao

Các hạt nano bạc có hiện tượng cộng hưởng Plasmon bề mặt, các hạt nano bạc có thể hấp phụ ánh sáng ở một bước sóng đặc trưng Hiện tượng này tạo nên màu sắc từ vàng nhạt đến đen cho các dung dịch có chứa hạt nano bạc với các màu sắc phụ thuộc vào nồng độ và kích thước hạt nano

Bạc nano là vật liệu có diện tích bề mặt riêng rất lớn, có những đặc tính sau:

 Tính khử khuẩn, chống nấm, khử mùi, có khả năng phát xạ tia hồng ngoại đi xa, chống tĩnh

 Không có hại cho sức khỏe con người với liều lượng tương đối cao, không có phụ gia hóa chất

 Có khả năng phân tán ổn định trong các loại dung môi khác nhau (trong các dung môi phân cực như nước và trong các dung môi không phân cực như benzene, toluene)

 Độ bền hóa học cao, không bị biến đổi dưới tác dụng của ánh sáng và các tác nhân oxy hóa khử thông thường

 Chi phí cho quá trình sản xuất thấp

 Ổn định ở nhiệt độ cao

Trong nghiên cứu hóa học, bạc được biết đến với hai ứng dụng chủ yếu làm vật liệu diệt khuẩn và làm xúc tác cho các phản ứng hóa học Các nghiên cứu dựa trên hai ứng dụng này được thực hiện nhằm mục đích chế tạo các vật liệu trên cơ sở nano bạc có hoạt tính cao và tối ưu hóa hiệu quả các quá trình trên

1.4.3 Cơ chế diệt khuẩn

Bạc 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 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 Những năm 1940, sau khi penicillin được đưa vào, việc sử dụng bạc để xử lý nhiễm trùng do vi khuẩn giảm đi Bạc quay trở lại vào những năm 1960 khi Moyer sử dụng 0,5% bạc nitrat để chữa vết bỏng Ông ta đề xuất 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 vi khuẩn như E.coli, S aureus, Klebsiella sp và Pseudomonas sp Nó cũng có tác dụng chống nấm và chống virut

Khả năng diệt khuẩn của ion bạc không dựa trên đặc tính gây nhiễm vi khuẩn như là đối với các chất kháng sinh mà dựa trên cơ chế tác dụng lên cấu trúc tế bào Bất cứ tế bào nào không có màng bền hóa học bảo vệ (vi khuẩn và virut thuộc cấu trúc loại này) đều chịu tác động của bạc Các tế bào động vật máu nóng có cấu trúc màng hoàn toàn khác, không chứa các lớp peptidoglycan, nên bạc không tác động được Nhờ sự khác biệt đó nano bạc có thể tác động lên 650 loài vi khuẩn, trong khi phổ tác động của bất

kỳ chất kháng sinh nào cũng chỉ từ 5 – 10 loài

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 con 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 Cơ chế diệt khuẩn của bạc được mô tả trong hình dưới đây Bạc có khả năng phá hủy enzim 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 Mặt khác, nguyên tố bạc không có hại với cơ thể con người với 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 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 đến giá trị diệt trùng của bạc nữa 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 ở kích thước nano

Cơ chế tác dụng của các ion bạc lên vi sinh vật vẫn chưa hoàn toàn sáng tỏ và đang tiếp tục được nghiên cứu Hầu hết các nhà nghiên cứu có quan điểm thống nhất về cơ chế khử khuẩn của nano bạc theo ba hướng tác động sau: (1) ion bạc phá hủy chức năng hô hấp của vi sinh vật hoặc (2) phá hủy chức năng của thành tế bào, hoặc (3) liên kết với DNA của tế bào vi sinh vật và phá hủy chức năng của chúng

Hình 1.4 Tác động của ion bạc lên vi khuẩn

Các tế bào động vật cấp cao có lớp màng bảo vệ hoàn toàn khác so với tế bào vi sinh vật, không cho phép các ion bạc xâm nhập, vì vậy chúng không bị tổn thương khi tiếp xúc với các ion này

Cơ chế tác động lên enzyme hô hấp của vi sinh vật được đề xuất là do khả năng kết hợp của ion bạc với nguyên tố lưu huỳnh trong nhóm sunfuahidryl (-SH) của axit amin trong phân tử enzyme chuyển hóa lõi trên màng tế bào, làm mất hoạt tính enzyme, dẫn đến oxy không còn khả năng được vận chuyển qua màng để vào trong tế bào tham gia vào quá trình hô hấp Cơ chế này được mô tả bởi các nhà khoa học làm việc trong hãng ANSON của Trung Quốc

Hình 1.5 Ion bạc vô hiệu hóa enzyme chuyển hóa oxy của vi khuẩn

Bên cạnh đó, nghiên cứu tác động ức chế của bạc trên nấm Candila, các nhà khoa học đã chứng minh được khả năng ức chế enzyme phosphomannose isomerase, bằng

cách liên kết với nhóm –SH trên cysterin, enzyme này giữ vai trò quan trọng trong quá trình tổng hợp thành tế bào của nấm

Một luận điểm khác về khả năng tác động của ion bạc cho rằng các ion bạc có khả năng liên kết với các bazo trong nuleotit của phân tử AND và trung hòa điện tích của gốc phosphate do đó ngăn cản quá trình sao mã của phân tử ADN

Bên cạnh các cơ chế được nhiều nhà khoa học đồng tình, cũng có những cơ chế khác được đưa ra để giải thích cho khả năng khử trùng của ion bạc như: Sự tác động của ion bạc không trực tiếp lên DNA của tế bào, mà làm rối loạn các quá trình oxy hóa cũng như phosphoryl hóa trong tế bào vi khuẩn một cách gián tiếp bằng việc làm tăng

số lượng các gốc tự do dẫn đến làm giảm nồng độ các hợp chất oxy hoạt tính trong tế bào Cũng có quan niệm rằng một trong những nguyên nhân của tác dụng kháng khuẩn phổ rộng là sự ức chế quá trình vận chuyển qua mang của các ion Na+ và Ca2+ bởi ion bạc Ion bạc còn thể hiện rõ khả năng diệt nhiều chủng virut và nấm

Hình 1.6 Ion bạc liên kết với bazo trên nucleotic của AND

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

2Ag+ + O2- 2Ag0 + O0 Kết luận: Khả năng diệt khuẩn của ion bạc dựa trên cớ chế tác dụng lên cấu trúc tế bào mà không phụ thuộc vào đặc tính gây nhiễm của vi khuẩn đối với cơ chế tác động của các chất kháng sinh Bất cứ tế bào nào không có màng bền hoá học bảo vệ (vi khuẩn và virut thuộc cấu trúc loại này) đều chịu tác động của bạc Các tế bào động vật máu nóng do có cấu trúc màng hoàn chỉnh, không chứa các lớp peptidoglycan nên không chịu tác động của ion bạc

Với khả năng diệt khuẩn ưu việt của nano bạc, việc kết hợp than hoạt tính và nano bạc trong quá trình xử lý nước để kết hợp quá trình lọc, hấp phụ và khử trùng ngay trong cột lọc để đưa ra một phương pháp xử lý nước nhanh chóng và kinh tế đang được nghiên cứu trên thế giới Quá trình quan trọng nhất cho việc ứng dụng này là phủ nano bạc lên than hoạt tính để kết hợp quá trình lọc và khử trùng môi trường nước một

cách nhanh chóng và hiệu quả Nhiều nghiên cứu điều chế nano bạc và phủ nano bạc lên bề mặt than hoạt tính được thực hiện với mục đích ứng dụng vào quá trình xử lý nước

Bảng 1.3 Ảnh hưởng của kích thước và nồng độ nano bạc đến khả năng

diệt khuẩn một số loài vi sinh vật

 Ứng dụng công nghệ Nano Bạc trong thực phẩm

Những năm gần đây, công nghệ Nano Bạc được ứng dụng rộng rãi trong đời sống nói chung cũng như trong ngành thực phẩm nói riêng Ví dụ điển hình như sản phẩm nước rửa rau sống; các loại gói đóng, bao bì đựng thực phẩm, bình sữa, thực phẩm chứa các hạt nano dinh dưỡng… Những đồ dùng bằng nhựa có pha thêm hạt nano bạc

có tác dụng khử trùng Qua kiểm tra cho thấy chúng có khả năng diệt 99,9% vi khuẩn

Hình 1.7 Bình sữa làm bằng nhựa có pha thêm nano bạc

 Ứng dụng công nghệ Nano Bạc trong sản suất hàng tiêu dùng

Nhờ đặc tính kháng khuẩn mạnh, tự nhiên và an toàn của Nano Bạc, diệt hầu hết các loại vi rút, vi khuẩn và nấm gây bệnh nên nhiều nhà sản xuất các hàng tiêu dùng đã ứng dụng công nghệ này trong sản xuất các loại sản phẩm như hộp đựng thực phẩm, quần áo, đồ chơi, băng vết thương, chất tẩy quần áo, sợi nhân tạo dùng dệt vải, khăn quần áo, khẩu trang…

Hình 1.8 Tất làm bằng sợi nilon có pha nano bạc

 Ứng dụng công nghệ Nano Bạc trong các thiết bị gia dụng

Công nghệ Nano Bạc ra đời tạo nên hướng phát triển sản xuất mới cho ngành thiết

bị gia dụng, ngày càng nhiều nhà sản xuất ứng dụng phân tử bạc để diệt khuẩn trong hàng hóa, sản phẩm của mình nhằm bảo vệ sự an toàn về sức khỏe cho người sử dụng

Ví dụ: máy giặt, điều hòa, tủ lạnh, các dụng cụ đựng thực phẩm như bát đĩa, máy khử độc hoa quả, bình sữa trẻ em…

Hình 1.9 Điều hòa sử dụng bộ lọc nano bạc

Khẩu trang nano bạc: Được thiết kế với 3 – 4 lớp gồm 2 lớp vải, một lớp vật liệu tẩm nano bạc và than hoạt tính ở giữa, loại khẩu trang này có khả năng diệt khuẩn, diệt virus, lọc không khí rất tốt Lớp vải tẩm nano bạc có chức năng diệt vi khuẩn, virus và nấm bị giữ lại trên khẩu trang đồng thời có tác dụng khử mùi

Hình 1.10 Khẩu trang nano bạc

1.5 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU NANO BẠC

Ngày nay, trên thế giới cũng như trong nước, khoa học và công nghệ ngày càng phát triển mạnh mẽ và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khoa học, đời sống khác nhau như điện tử, y học, vật lý, hóa học, môi trường… trong đó nổi bật là các ứng dụng của nó trong khả năng diệt khuẩn, xử lý nhiễm khuẩn, không gây độc hại cho con người và không gây kích ứng da

Than hoạt tính có cấu trúc xốp và bề mặt riêng cao Để làm vật liệu chứa nano bạc, than hoạt tính cần phải được nghiên cứu biến tính tạo ra bề mặt có cực cho than hoạt tính nhằm tăng khả năng lưu giữ các hạt nano bạc

1.5.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Abdel Hameed M.EL-Aassar cùng với nhóm nghiên cứu của mình năm 2013[5]với

đề tài Sử dụng nano bạc phủ lên than hoạt tính khử trùng vi sinh vật trong nước ô nhiễm ở khu vực Abu Rawash, Great Cairo và Ai Cập Họ đã phủ nano bạc lên than

hoạt tính bằng cách : cho 50 g AC đã được ngâm tẩm vào 250 ml dung dịch bạc nano

ở các nồng độ khác nhau (500, 1000, 2000 và 4000 mg/l) và sau đó khuấy ở nhiệt độ phòng qua đêm để làm cho chắc lớp phủ Than hoạt tính phủ nano bạc sau đó đã được đưa vào trong một lò chân không ở 110°C ít nhất 2h để lớp phủ của bạc nano vào than hoạt tính Như vậy, Ag-NP / AC với các nồng độ khác nhau (2,5 mg/g, 5 mg/g, 10 mg/g và 20 mg/g), đã được chuẩn bị Sau đó tiến hành đo sự khác biệt về trọng lượng của các hạt than hoạt tính trước và sau khi lớp phủ quá trình và đo bạc còn lại trong dung dịch sau quá trình phủ

Nghiên cứu của nhóm tác giả N.R.Srinivasan và các cộng sự thực hiện năm 2013[6]cho thấy họ có thể sử dụng dòng plasma oxy để biến tính bề mặt của than hoạt tính, tạo ra một bề mặt có cực cho than hoạt tính bởi sự hình thành của các nhóm chức cacboxyl (-CH=O) Các hạt nano bạc tương tác mạnh khi tiếp xúc với các nhóm chức cacboxyl và do đó được lưu giữ trên bề mặt ngoài của than hoạt tính Phương pháp này cho thấy kỹ thuật được sử dụng khá cao, có thể bị hạn chế khi triển khai thực tế

Năm 2014, trong nghiên cứu của Sabrina và các cộng sự về chế tạo vật liệu nano bạc mang trên than hoạt tính, ứng dụng trong khử khuẩn E Coli, bạc được đưa lên than hoạt tính ở dạng dung dịch muối nitrat có nồng độ cao (0,1 M), với hàm lượng theo phần trăm khối lượng rất cao (7 – 50%) theo phương pháp tẩm Kết quả là các hạt bạc tạo ra có kích thước lớn, cỡ micromet mặc dù trong nghiên cứu, tác nhân khử đã được chọn là NH4OH, một chất khử yếu có thể giúp tạo ra các hạt bạc có kích thước nhỏ kết hợp với tác dụng khử của các nhóm cacboxyl có mặt trên than Chính vì vậy, mặc dù có hàm lượng bạc cao, thí nghiệm đánh giá khả năng khử khuẩn của các mẫu vật liệu có mức độ tỷ lệ vật liệu/dung dịch chứa vi khuẩn (108 cfu/ml) là 1 gam/100 ml chỉ tốt khi mẫu có hàm lượng bạc cao, từ 9% trọng lượng trở lên mới cho khả năng khử khuẩn hoàn toàn sau khoảng thời gian khoảng trên 25 phút tiếp xúc[6]

Nghiên cứu của Wang Z.Q, và các cộng sự đã chế tạo vật liệu nano Ag/ Than hoạt tính bằng phương pháp tẩm trong điều kiện chân không sử dụng tác nhân là tẩm bạc axetat Bằng phương pháp này, kết quả vật liệu nano Ag/Than hoạt tính đã được chế tạo với hàm lượng bạc đạt khá thấp 0,97% Mặc dù vậy, khả năng diệt khuẩn của vât liệu khá tốt Với nồng độ khuẩn E.Coli đầu vào là 107 cfu/ml, vật liệu nano Ag/Than hoạt tính đã chế tạo có khả năng diệt khuẩn hoàn toàn sau 120 phút Tuy nhiên, cũng sau khoảng thời gian này, 37,6 % lượng bạc đã đưa lên bị tách ra khỏi vật liệu[6]

1.5.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Theo Hiệp Hội Công Nghiệp Môi Trường Việt Nam, mới đây các nhà khoa học Viện Công nghệ Môi trường đã đưa ra công nghệ xử lý nước cho người dân vùng lũ bằng công nghệ nano bạc gắn trên vật liệu silica Máy lọc nước này có giá thành thấp,

không cần điện, chỉ cần có áp lực tự nhiên của nước là máy có thể làm việc bình thường Cần có những đánh giá thực tế để lựa chọn công nghệ phù hợp và an toàn này,

so với sử dụng Chloramine B khử trùng như lâu nay

Xử lý nước uống hiệu quả bằng cột lọc sứ xốp - nano bạc do Nguyễn Thụy Ái Trinh nghiên cứu và chế tạo Cơ chế kháng khuẩn của nano bạc được Ái Trinh lý giải như sau: Thứ nhất, nano bạc liên kết với các thành phần trên màng tế bào gây mất cân bằng tính thấm và thủng màng dẫn đến chết tế bào Thứ hai, các hạt nano bạc có thể chui qua màng đi vào bên trong tế bào, tương tác với vật chất di truyền và gây chết tế bào Thứ ba, nano bạc giải phóng bạc ion; bạc ion sau đó có thể tác động lên các enzyme trong chuỗi hô hấp, liên kết với vật chất di truyền hoặc tác động lên các protein vận chuyển lên màng tế bào làm rối loạn các hoạt động sinh lý và gây chết tế bào Để tạo

ra sản phẩm cột lọc sứ xốp - nano bạc, Ái Trinh phối trộn nano bạc, silic và chất kết dính theo tỉ lệ thích hợp; gia công tạo hình và nung ở nhiệt độ trên 1.000ºC Sản phẩm sau khi nung được gia công lại, gắn đế để tạo ra thành phẩm cột lọc sứ xốp - nano bạc Sản phẩm này được dùng để xử lý nước uống trực tiếp cho người dân nông thôn, các vùng bị thiên tai, lũ lụt và sử dụng cho quy mô hộ gia đình[7]

Nghiên cứu chế tạo bộ dụng cụ lọc ceramic xốp cố định nano bạc dùng cho mục đích làm sạch nước quy mô gia đình do Trần Thị Ngọc Dung làm chủ nhiệm đề tài, đơn vị thực hiện Viện Công Nghệ Môi Trường từ năm 2012 – 2013 Dụng cụ bộ lọc này có khả năng làm sạch nước khỏi các loài vi sinh vật gây bệnh cũng như một số chất độc hại như asen và kim loại nặng

Tuy nhiên, việc sử dụng nano bạc phủ trên than hoạt tính ứng dụng lọc nước nhằm cung cấp cho nguồn nước sạch cho các hộ dân lại chưa có nhiều nghiên cứu và triển khai ứng dụng Vì vậy ở đề tài này, nhóm nghiên cứu đặt ra mục tiêu nghiên cứu chế tạo cột lọc sử dụng nano bạc phủ trên nền than hoạt tính cung cấp nguồn nước sạch cho các hộ dân vùng lũ lụt kéo dài khu vực ĐBSCL

Tại sao chọn nano bạc mà không chọn nano kim loại khác?

Lý do chính là với kích thước nhỏ đi thì diện tích bề mặt riêng của bạc được tăng lên đến cực đại và làm cho hiệu quả, tác dụng càng mạnh lên Một số nghiên cứu khoa học cho rằng bạc ở dạng nano có thể tiếp xúc trực tiếp với vi sinh vật và kết hợp với các enzyme trao đổi chất tạo oxy (-SH), làm nghẽn quá trình cung cấp oxy cho vi khuẩn Kết quả là bạc có thể giết hầu hết các vi sinh vật khi tiếp xúc với nó, kể cả vi khuẩn, các thực vật biểu sinh, nấm và bào tử

Lý do thứ hai là vì giá thành kim loại bạc rẻ hơn so với các kim loại khác Nano bạc

có đặc tính ưu việt hơn nhiều lần so với các sản phẩm kháng khuẩn khác trong việc làm sạch khuẩn, ngăn vi khuẩn phát triển đến 99,9% Tính năng làm sạch khuẩn bằng

công nghệ nano bạc được các chuyên gia đầu ngành tại Viện nghiên cứu Khoa học Vật

lý và Viện Dinh dưỡng khẳng định là an toàn tuyệt đối hoàn toàn không ảnh hướng tới thực phẩm, sức khỏe và không ảnh hưởng đối với da hay hệ hô hấp của con người

Không chỉ có khả năng diệt khuẩn tốt, các hạt nano Bạc không gây độc cho cơ thể với nồng độ cho phép khá cao Theo chỉ tiêu an toàn được công bố bởi Tổ chức y tế thế giới thì hàm lượng bạc tối đa không gây ảnh hưởng của bạc là 10 g

1.6 ỨNG DỤNG CỦA NANO BẠC TRONG XỬ LÝ NƯỚC

 Các thử nghiệm diệt khuẩn với dung dịch nano bạc

Mặc dù trên thế giới đã có rất nhiều tài liệu tham khảo bàn về độ an toàn và khả năng diệt khuẩn của dung dịch nano bạc, nhưng với điều kiện chế tạo ở Việt Nam, liệu khả năng diệt khuẩn của dung dịch chứa các hạt nano bạc có đạt được yêu cầu sử dụng hay không

Sau khi chế tạo dung dịch nano bạc các nhà nghiên cứu đã tiến hành các phép thử diệt khuẩn, không chỉ ở trong phòng thí nghiệm mà còn ứng dụng với mẫu nước thải

 Phép đo diệt khuẩn trong phòng thí nghiệm

Phép đo này họ thực hiện trên hai loại mẫu, mẫu vi khuẩn trên thạch và mẫu vi khuẩn trong dung dịch

Vi khuẩn được nuôi trên thành agarose, trong dung dịch có nhiều chất dinh dưỡng Cho dung dịch chứa các hạt nano bạc ở các nồng độ khác nhau và khảo sát khả năng diệt khuẩn của chúng theo thời gian

Bảng 1.4 Khả năng diệt khuẩn của dung dịch nano bạc

STT Chỉ tiêu Đơn vị Chuẩn hóa Kết quả

M1 (0,6 mg/l )

M2 (1,3 mg/l)

1 Hiệu suất diệt

1.7 CÁC CHỈ TIÊU TRƯỚC VÀ SAU XỬ LÝ NƯỚC VÙNG LŨ

6 Coliform tổng (vi khuẩn/100ml) 0

1.8 CỞ SỞ LÝ THUYẾT CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH

1.8.1 Phương pháp điều chế nano bạc

Điều chế bạc nano có rất nhiều phương pháp khác nhau, nhưng phương pháp hóa học được xem là rẻ tiền và ít rủi ro nhất Quá trình điều chế hạt nano là lành tính, không sử dụng bất kỳ hóa chất độc hại nào Vật liệu nano bạc được chế tạo bằng hai phương pháp: phương pháp từ trên xuống và từ dưới lên

1.8.1.1 Phương pháp từ trên xuống

Là phương pháp tạo hạt kích thước nano từ các hạt có kích thước lớn hơn Nguyên

lý của phương pháp này là dùng kỹ thuật nghiền và biến dạng để biến vật liệu thể khối với tổ chức hạt thô thành cỡ hạt kích thước nano Đây là phương pháp đơn giản, rẻ tiền nhưng rất hiệu quả, có thể tiến hành cho nhiều loại vật liệu với kích thước khá lớn Trong phương pháp nghiền, vật liệu ở dạng bột được trộn lẫn với những viên bi được làm từ các vật liệu rất cứng và đặt trong một cái cối Máy nghiền có thể là nghiền lắc, nghiền rung hoặc nghiền quay Các viên bi cứng va chạm vào nhau và phá vỡ bột đến kích thước nano Phương pháp biến dạng được sử dụng với các kỹ thuật đặc biệt nhằm tạo ra sự biến dạng cỡ lớn (có thể > 10) mà không làm phá hủy vật liệu Nhiệt độ có thể được điều chỉnh tùy thuộc vào từng trường hợp cụ thể Nếu nhiệt độ gia công lớn hơn nhiệt độ kết tinh lại thì được gọi là biến dạng nóng còn ngược lại là biến dạng nguội

Phương pháp ăn mòn laser cũng là một phương pháp từ trên xuống Vật liệu ban đầu là một tấm bạc được đặt trong một dung dịch có chứa một chất hoạt hóa bề mặt Một chùm laser xung có bước sóng 532 nm, độ rộng xung là 10 ns, tần số 10 Hz, năng lượng mỗi xung là 90 mJ, đường kính vùng kim loại bị tác dụng từ 1 – 3 mm Dưới tác dụng của chum laser xung, các hạt nano có kích thước khoảng 10nm được hình thành

và được bao phủ bởi chất hoạt hóa bề mặt CnH2n+1SO4Na với n = 8, 10, 12, 14 với nồng độ từ 0,001 ÷ 0,1 M

1.8.1.2 Phương pháp từ dưới lên

Nguyên lý của phương pháp này là hình thành vật liệu nano từ các nguyên tử hoặc ion.Phương pháp từ dưới lên được phát triển rất mạnh mẽ vì tính linh động và chất lượng của sản phẩm cuối cùng Phần lớn các vật liệu nano mà chúng ta dùng hiện nay đều được chế tạo từ phương pháp này Bao gồm: phương pháp vật lý, hóa học hoặc kết hợp cả hai phương pháp hóa – lý

 Phương pháp khử hóa học

Dùng các tác nhân hóa học để khử ion kim loại thành kim loại Thông thường các tác nhân hóa học ở dạng dung dịch lỏng nên còn gọi là phương pháp hóa ướt Dung dịch ban đầu có chứa các muối của kim loại như: AgNO3…

 Phương pháp khử vật lý

Dùng các tác nhân vật lý như điện tử, sóng điện từ năng lượng cao như tia gama, tia

tử ngoại, tia laser khử ion kim loại thành kim loại

 Phương pháp khử hóa lý

Dùng phương pháp điện phân kết hợp với siêu âm để tạo hạt nano Phương pháp này thông thường chỉ tạo được màng mỏng kim loại Trước khi xảy ra sự hình thành màng, các nguyên tử kim loại sau khi được điện hóa sẽ tạo ra hạt nano bám lên điện cực âm Sau đó người ta tác dụng một xung điện siêu âm đồng bộ với xung điện phân thì hạt nano kim loại sẽ rời khỏi điện cực và đi vào dung dịch

 Phương pháp khử sinh học

Dùng vi khuẩn là tác nhân khử ion kim loại Cấy vi khuẩn MKY3 vào dung dich có chứa ion bạc để thu được hạt bạc nano Phương pháp này đơn giản, thân thiện với môi trường và có thể tạo hạt với số lượng lớn

 Phương pháp khử nhiệt

Là phương pháp tạo ra hạt bạc có độ tinh khiết cao không yêu cầu phải có mặt chất hoạt động bề mặt cũng như tác nhân khử Các phát minh hiện nay là tạo ra hạt bạc bằng cách phân hủy oxalate bạc ở nhiệt độ cao trên 100 0C để tạo ra hạt bạc nano

1.8.2 Phương pháp phân tích hạt nano bạc

1.8.2.1 Phương pháp DLS

Phương pháp tán xạ lazer (DLS) xác định phân bố kích thước hạt của hạt nano bạc Nguyên tắc của phép đo này là dựa trên hiện tượng tán xạ ánh sáng Phương pháp đo này được thực hiện trong một thời gian ngắn, với độ chính xác và tính lặp lại cao Thiết bị này bao gồm một nguồn lazer cùng hệ thống quang học là bộ phận cốt lõi của thiết bị, ngoài ra một số bộ phận khác được tích hợp cùng như: hiện thống hoàn lưu mẫu tiền xử lý, mạch xử lý tín hiệu đo, thiết bị truyền và hiển thị dữ liệu

Hình 1.11 Sơ đồ nguyên lý hệ thống quang học trong thiết bị DLS

Phương pháp DLS là phương pháp phân tích hiện đại, hiện được sử dụng khá phổ biển trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu Trong nghiên cứu này, phương pháp DLS dùng mẫu khô (ướt), với dung môi gì đó, được sử dụng để xác định phân bố kích thước hạt

và kích thước hạt trung bình của hạt nano bạc

1.8.2.2 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)

Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) là phương pháp được sử dụng để nghiên cứu cấu trúc của vật liệu và xác định kích thước hạt tinh thể

Nguyên tắc cơ bản của XRD là dựa vào phươn trình Vulf – Bragg:

2.d.sinθ = n.λ

Trong đó:

 n là bậc nhiễu xạ (số nguyên),

 λ là bước sóng của tia X,

 d là khoảng cách giữa hai mặt tinh thể,

 θ là góc giữa tia tới và mặt phẳng phản xạ

Nhiễu xạ tia X bởi hai mặt phẳng nguyên tử được biểu diễn trên hình So sánh giá

trị d với thư viện dữ liệu mẫu chuẩn sẽ xác định được cấu trúc mạng tinh thể của chất

cần nghiên cứu

Hình 1.12 Nhiễu xạ tia X bởi hai mặt phẳng phân tử

Giản đồ XRD cung cấp thông tin về cấu trúc tinh thể và thành phần các pha tinh thể Trong đó, vị trí và cường độ cấc đỉnh nhiễu xạ sẽ cho biết cấu trúc tinh thể (kiểu tinh thể, thông số mạng, thành phần pha) khi so sánh với phổ tham chiếu

Cường độ các đỉnh còn phản ánh hàm lượng các pha tinh thể Ngoài ra, bề rộng của chân pic, độ đối xứng của pic, độ ổn định của đường nền sẽ giúp xác định độ lớn của tinh thể

Để nhận diện pha tinh thể của một chất, người ta so sánh số lượng vạch, vị trí vạch

và cường độ của các vạch nhiễu xạ tia X đo được bằng thực nghiệm, so với số liệu chuẩn của từng chất chuẩn đã có trên các phiếu JCPDS – ICDD trong tệp tin dữ liệu tinh thể nhiễu xạ vật liệu bột PDF Ngoài ra, phổ XRD cũng cho phép xác định kích thước của tinh thể thông qua bán độ rộng đỉnh cực đại nhiễu xạ theo phương trình Scherrer:

cos

và W s là rất bé nên W ≈ W b) XRD cho ta biết sự có mặt hay không có mặt của tinh thể nano bạc (định tính pha tinh thể) Mỗi pha gồm 1 loại ô mạng và khi ghi nhiễu xạ tia X

sẽ cho 1 hệ vạch đặc trưng Từ kết quả này so sánh với phổ chuẩn có thể kết luận thành phần các pha trong mẫu

Hình 1.13 Máy đo nhiễu xạ XRD

1.8.2.3 Phương pháp hiển vi điện tử (SEM)

Phương pháp SEM (Scanning Electron Microscope) được sử dụng trong các nghiên cứu về cấu trúc vật liệu và ngày càng trở nên phổ biến trong các phòng thí nghiệm, cho phép phân tích bề mặt với độ phân giải cao.Tuy nhiên phương pháp này chỉ mang tính chất định tính, không thấy được cấu trúc bên trong của vật liệu Phương pháp SEM có thể thu được hình ảnh ba chiều rõ nét, nhờ đó có thể quan sát được cấu trúc xốp của than hoạt tính Việc thực hiện phép đo không phức tạp như việc không cần chuẩn bị mẫu hay phá mẫu

Nguyên lý hoạt động của SEM là tạo một chùm tia điện tử rất mảnh và điều khiển chùm tia này quét theo hàng và theo cột trong diện tích rất nhỏ bề mặt mẫu nghiên cứu Chùm tia phản xạ từ mẫu được ghi nhận và chuyển thành hình ảnh

Ảnh SEM sẽ cho các thông tin về hình thái bề mặt, mức độ ăn mòn bề mặt (định tính), số lượng và độ nông sâu của các lỗ, sự hình thành sản phẩm ăn mòn hay màng bảo vệ trên bề mặt kim loại khi kim loại chịu tác động bởi môi trường

Hình 1.14 Kính hiển vi điện tử quét SEM

1.8.2.4 Phương pháp ICP – MS

ICP – MS (Inductively Coupled Plasma emission Mass Spectrometry) là phương pháp kỹ thuật tương đối mới được phát triển từ phương pháp ICP ICP – MS được sử dụng để phân tích nồng độ của hầu hết các kim loại

Thuật ngữ ICP dùng để chỉ ngọn lửa plasma tạo thành dòng diện có tần số cao (cỡ MHz) được cung cấp bằng một máy phát radio Frequency Power (RFP) Ngọn lửa plasma có nhiệt độ rất cao có tác dụng chuyển các nguyên tố trong mẫu cần phân tích thành dạng ion

MS là phép ghi phổ theo số khối hay chính xác hơn là theo tỷ số giữa số khối và điện tích (m/Z)

Hình 1.15 Máy đo khối phổ plasma ICP – MS

Hệ thống ICP – MS bao gồm một nguồn ICP (nguồn cảm ứng cao tần plasma) nhiệt

độ cao và một khối phổ kế Nguồn ICP chuyển các nguyên tử của nguyên tố trong mẫu thành các ion Sau đó những ion này được phân tách và phát hiện bằng thiết bị khối phổ

Từ khi xuất hiện plasma cảm ứng với các tính năng và ưu điểm về vận hành hơn hẳn các nguồn hồ quang và tia điện thì một công cụ mới đã dần dẫn được phát triển thành một tổ hợp ICP ghép với một khối phổ kế Hai ưu điểm nổi bật của ICP – MS là

có độ phân giải cao và dễ tách các nhiễu ảnh hưởng lẫn nhau do đó có phát triển được hầu hết các nguyên tố trong bảng tuần hoàn Phương pháp phân tích này dựa trên các nguyên tắc của sự bay hơi, phân tách, ion hóa của các nguyên tố hóa học khi chúng được đưa vào môi trường plasma có nhiệt độ cao Sau đó các ion này được phân tách

ra khỏi nhau theo tỷ số khối lượng / điện tích (m/z) của chúng, bằng thiết bị phân tích khối lượng có từ tính và độ phân giải cao phát hiện, khuếch đại tín hiệu và đếm bằng thiết bị điện tử kỹ thuật số

Phương pháp ICP – MS ra đời vào đầu những năm 80 của thế kỉ trước và ngày càng chứng tỏ là kỹ thuật phân tích có ưu điểm vượt trội so với các kỹ thuật phân tích khác như quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS), quang phổ phát xạ plasma cảm ứng (ICP –

AES hay ICP – OES)… Phương pháp ICP – MS hơn hẳn các kỹ thuật phân tích khác ở các điểm sau: có độ nhạy cao, độ lặp lại cao, xác định đồng thời được hàng loạt các kim loại trong thời gian phân tích ngắn

1.8.2.5 Phương pháp TEM

TEM (Transmission Electron Microscopy) – Kính hiển vi điện tử truyền qua là một thiết bị nghiên cứu vi cấu trúc vật rắn, sử dụng chùm điện tử có năng lượng cao chiếu xuyên qua mẫu vật rắn mỏng và sử dụng các thấu kính từ để tạo ảnh với độ phóng đại lớn (có thể tới hàng triệu lần), ảnh có thể tạo ra trên màn huỳnh quang, trên phim quang học, hay ghi nhận bằng các máy chụp kỹ thuật số

TEM là một công nghệ ở đó dòng electron được tập trung trên mẫu để tạo ra một hình ảnh rất nhỏ của cấu trúc Đối lập với vi điện tử quang cổ điển, chùm electron tương tác hầu hết bằng sự nhiễu xạ hoặc khuếch tán hơn là hấp thụ, mặc dù cường độ của dòng truyền qua vẫn ảnh hưởng bởi thể tích và mật độ của vật liệu mà nó đi qua Cường độ nhiễu xạ phụ thuộc vào hướng mặt phẳng của nguyên tử trong tinh thể tương quan với chùm electron Ở góc vuông chùm electron được nhiễu xạ mạnh, đưa electron ra khỏi trục chùm đến, trong khi các góc khác chùm electron nhiễu xạ rộng TEM là một thiết bị không thể thiếu khi nghiên cứu về vật liệu có kích thước nano, TEM không những cho các nhà nghiên cứu biết được các thông tin về những đặc trưng

về hình thái, cấu trúc của vật liệu mà còn cho phép kiểm soát được chất lượng của vật liệu chế tạo được (tính đồng nhất về cấu trúc và kích thước, độ lặp lại, sự sai hỏng, khả năng phân tán…)

Xét trên nguyên lý, ảnh của TEM vẫn được tạo theo các cơ chế quang học, nhưng tính chất ảnh tùy thuộc vào từng chế độ ghi ảnh Điểm khác cơ bản của ảnh TEM so với ảnh quang học là độ tương phản khác so với ảnh trong kính hiển vi quang học và các loại kính hiển vi khác Nếu như ảnh trong kính hiển vi quang học có độ tương phản chủ yếu đem lại do hiệu ứng hấp thụ ánh sáng thì độ tương phản của ảnh TEM lại chủ yếu xuất phát từ khả năng tán xạ điện tử

Hình 1.16 Sơ đồ nguyên lý của kính hiển vi điện tử truyền qua

Tuy nhiên, kính hiển vi điện tử truyền qua là một phương pháp nghiên cứu tương đối phức tạp và có nhiều kỹ thuật khác nhau, tùy thuộc vào đối tượng và mục đích nghiên cứu, các thiết bị phụ trợ và hóa chất chuyên dụng Vì vậy, người sử dụng phương pháp TEM trong nghiên cứu vật liệu nano không những phải am hiểu về các thuộc tính của mẫu, khả năng phân tích vi cấu trúc, mà còn phải hiểu được quy trình chuẩn bị mẫu để vận dụng, khai thác thông tin thích hợp

Hình 1.17 Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)

1.8.2.6 Phương pháp BET

Phương pháp đo hấp phụ - giải hấp phụ đẳng nhiệt khí nitơ, gọi tắt là phương pháp BET (Brunauer-Emmett-Teller) là phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất để xác định diện tích bề mặt vật liệu