Ứng dụng vật liệu nano bạc trong xử lý nước sinh hoạt và ăn uống

868 ỨNG DỤNG VẬT LIỆU NANO BẠC TRONG XỬ LÝ NƢỚC SINH HOẠT VÀ ĂN UỐNG Lại Văn Khánh GVHD: PGS.TS. Huỳnh Phú Viện Khoa học Ứng dụng HUTECH, Đại học Công nghệ TP.HCM (HUTECH), Việt Nam TÓM TẮT Bài báo này nhằm mục đích đưa ra các vật liệu chứa nano bạc có triển vọng triển khai thực tế để chế tạo ra các cột lọc có khả năng lọc và diệt hoàn toàn vi khuẩn mà không bị hạn chế thời gian tiếp xúc có thể làm thay đổi quy trình xử lý nước truyền thống, làm tăng chất lượng nước sạch cho người dân cũng như bảo vệ sức khỏe cộng đồng. Nano Ag+ hay Nano bạc là những hạt bạc có kích cỡ phân tử ở mức vi mô từ 3-5 nanomet, gần với kích thước của phân tử bạc nhưng có hiệu ứng bề mặt vô cùng lớn. Nano bạc có electron lớp ngoài cùng dễ dàng chuyển hóa liên tục thành 2 dạng Ag và Ag+. Chúng rất nhạy cảm với nhóm sunfate trong chuỗi peptits của vi khuẩn nên có thể phá hủy enzyme. Tác dụng AND khiến vi khuẩn không thể tái tạo, nhanh chóng bị tiêu diệt. Từ khóa: Nano bạc (Ag), than hoạt hính, sứ xốp, xử lý nước. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Ngày nay công nghệ nano phát triển mạnh mẽ và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: y học, sinh học, công nghệ xúc tác, công nghệ thông tin, xúc tác, quang học, dệt may, mỹ phẩmtrong đó công nghệ nano bạc được các nhà nghiên cứu đặc biệt quan tâm. Nano bạc có rất nhiều tính chất khác hẳn với bạc khối như tính chất quang, từ, điệnnhưng đặc trưng nhất của nano bạc là tính kháng khuẩn. Nano bạc có khả năng giết chết hơn 650 loại vi khuẩn khác nhau chỉ trong vòng một phút. Tất cả các vi khuẩn không có dấu hiệu kháng nano bạc và vì thế, các hạt nano bạc không bị mất tác dụng. Ngoài ra, các hạt nano bạc cũng sẽ giúp tạo ra các oxygen hoạt tính từ trong không khí hoặc từ trong nước và từ đó phá hủy các màng tế bào của vi khuẩn. Các hạt nano bạc đã được đưa vào mọi chất dẻo và ứng dụng khá rộng rãi trong đời sống. Nano bạc được đưa vào các polymer như polyetylen (PE), polypropylen (PP), các loại giấy, vải có khả năng diệt ba loại vi khuẩn: tụ cầu khuẩn vàng, Bacillus pneumoniae và E. Coli. [ 6 ] Nano Bạc hay Nano Ag+ có kích cỡ phân tử ở mức vi mô, chỉ từ 3-5 nanomet, được khai thác và phát triển từ công nghệ tiên tiến hàng đầu hiện nay. Nano bạc có thể tiêu diệt vi khuẩn an toàn và hiệu quả nhất bằng cách phá vỡ cấu trúc tế bào của chúng, ngăn chặn sự phát triển của chúng. Nhờ có khả năng tuyệt vời ấy, công nghệ Nano Ag+ được ứng dụng hiệu quả trong công nghiệp lọc nước cũng như trong đời sống hằng ngày. 2. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU (i) Phương pháp hóa lý, trong điều kiện chân không sử dụng tác nhân tẩm là bạc axetat. Bằng phương pháp này, kết quả vật liệu nano Ag/Than hoạt tính đã được chế tạo với hàm lượng bạc đạt thấp 0,97%. (ii) Phương pháp thực nghiệm mô hình. (iii). Phương pháp so sánh. 869 2.1. Chế tạo vật liệu nano Ag/Than hoạt tính Tẩm dung dịch bạc sau khi đã siêu âm lên than hoạt tính bằng cách lần lượt đưa một lượng nhỏ dung dịch chứa nano bạc vào than hoạt tính sao cho chỉ thấm ướt vừa đủ, nghiền, trộn vật liệu trong cối nghiền, kết hợp với gia nhiệt ở 80 o C cho tới khi vật liệu khô. Tiếp tục đưa dung dịch chứa nano bạc vào theo cách trên cho tới khi hết để thu được các vật liệu nano Ag/Than hoạt tính có hàm lượng Ag theo phần trăm khối lượng như sau: 0,1 %; 0,3 %; 0,5 %; 0,7 % và 1 %. Hàm lượng bạc cao nhất được lựa chọn là 1 % theo khối lượng vật liệu than hoạt tính để đảm bảo sự phân bố đồng đều và không bị co cụm của các hạt nano bạc được hình thành trên vật liệu mang. Vật liệu sau khi tẩm được xử lý nhiệt ở 180 o C trong 3 giờ trong điều kiện hạn chế oxy. Sau khi sấy, vật liệu được rửa lại bằng nước cất nhiều lần và sấy khô ở 100 o C để tạo thành sản phẩm cuối cùng. [ 1 ] Hình 1. Sơ đồ quy trình chế tạo vật liệu nano Ag/Than hoạt tính 2.2. Chế tạo vật liệu nano Ag/Sứ xốp Mẫu sứ xốp được hoạt hóa bằng cách sử dụng dung dịch piranha (chứa axit H2SO4 (98%) và H2O2 (30%) theo tỷ lệ về thể tích là 3H2SO4:1H2O2). Mẫu được rửa lại bằng nước cất và sau đó được ngâm trong dung dịch APTES có nồng độ phần trăm được khảo sát lần lượt là 1, 2, 3 và 4% trong thời gian 30 phút. Mẫu được lấy ra và sấy ở 105 o C trong thời gian 60 phút. Ngâm mẫu sứ xốp trong dung dịch chứa nano bạc 100 ppm trong 24 giờ. Mẫu sau khi ngâm được lấy ra, rửa sạch bằng nước và tiến hành rung siêu âm trên máy để loại bỏ bạc không liên kết và sấy khô ở 105 o C để thu được các mẫu Ag/Sứ xốp. Hình 2: Sơ đồ quy trình chế tạo vật liệu nano Ag/Sứ xốp 870 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 3.1 Khả năng diệt khuẩn của vật liệu Bảng 1: Khả năng diệt khuẩn E.coli của mẫu Ag/Than hoạt tính theo hàm lượng bạc Mẫu Dung dịch đầu vào TAg1 TAg2 TAg3 TAg4 TAg5 Nồng độ E.coli(cfu/ml) 1,5.10 5 5,4x10 4 4.9x10 3 6,7x10 3 6,5x10 3 6,7x10 3 Hiệu suất diệt khuẩn (%) 0 64,17 96,72 95,52 95,67 95,52 Bảng 2: Khả năng diệt khuẩn E.coli của mẫu Ag/Sứ xốp theo hàm lượng bạc Mẫu Dung dịch đầu vào SX100ppm SX250ppm SX500ppm Nồng độ E.coli (cfu/ml) 1,5.10 5 3,0.10 4 4,1.10 4 4,2.10 4 Hiệu suất diệt (%) 0 86,36 81,36 80,9 Vật liệu nano Ag/Than hoạt tính đã được chế tạo với các hạt nano bạc kim loại được cố định trên chất mang than hoạt tính qua tương tác với các nhóm cacboxyl bề mặt. Các hạt nano bạc có kích thước từ 10- 25 nm, không thay đổi so với các hạt nano bạc trong dung dịch chứa nano bạc ban đầu. Vật liệu nano Ag/Sứ xốp đã được chế tạo bằng hương pháp đưa nano bạc kim loại lên vật liệu mang qua tương tác với các nhóm chức amin trên bề mặt sứ xốp. Hàm lượng bạc đưa lên mẫu sứ xốp đạt 0,085% khối lượng. Các vật liệu này có khả năng diệt trên 80% khuẩn E.coli với nồng độ khuẩn ban đầu 10 5 cfu/ml, trong thời gian tiếp xúc 10 phút. Đây là các vật liệu chứa nano bạc có triển vọng triển khai thực tế để chế tạo ra các cột lọc có khả năng lọc và diệt hoàn toàn vi khuẩn mà không bị hạn chế thời gian tiếp xúc. 3.2 Ứng dụng vật liệu nano bạc vào công nghệ xử lý nƣớc sinh hoạt 3.2.1. Sơ đồ mô hình công nghệ cho thiết bị lọc nước công suất 1,5-2,0 m 3 /h và 3,0-4,0 m 3 /h Mô tả: Thiết bị lọc nước công suất 1,5 – 2,0 m 3 /h và 3,0 – 4,0 m 3 /h gồm các bộ phận sau: - Thiết bị trộn - phản ứng: dạng ống xoắn ruột gà; thời gian lưu từ 30 – 60 giây; - Thiết bị lắng: sử dụng thùng bảo vệ thiết bị làm thiết bị lắng; thời gian lắng 30 – 45 phút; 871 3.2.2. Nguyên lý hoạt động Nước được bơm cấp nguồn cấp vào thiết bị lọc số 1 (tự động rửa lọc) (chảy qua thiết bị phản ứng) sau đó nước chảy sang thiết bị lọc số 2 và số 3. Nước ra khỏi thiết bị lọc số 3 có 2 đường: một đường cấp có thể sử dụng trực tiếp cho sinh hoạt và một đường cấp sang thiết bị lọc Nano: Nước sạch qua thiết bị nano lọc [ 4 ] 3.2.3 Ưu nhược điểm của công nghệ Ƣu điểm: (*) Thiết bị lọc Nano lọc nước thành nước ăn uống trực tiếp và giữ lại các loại muối khoáng tự nhiên và các chất vi lượng trong nước; (**) Hiệu suất sử dụng nước cao: không có nước thải. Nhƣợc điểm: (-) Chi phí đầu tư và vận hành cao hơn so với mức sống của người dân vùng nông thôn. (- -) Chỉ có thể áp dụng ở nơi dân cư có mức sống cao hoặc ở khu vui chơi giải trí. 4. KẾT LUẬN Sau thời gian thực hiện đề tài nghiên cứu :” Ứng dụng vật liệu nano bạc trong xử lý nước sinh hoạt và ăn uống” tác giả đã hoàn thành với các kết quả thu được như sau: - Đưa ra các vật liệu chứa nano bạc có triển vọng triển khai thực tế để chế tạo ra các cột lọc có khả năng lọc và diệt hoàn toàn vi khuẩn mà không bị hạn chế thời gian tiếp xúc. - Với khuẩn E.coli đầu vào là 10 7 cfu/ml, vật liệu nano Ag/Than hoạt tính đã chế tạo có khả năng diệt khuẩn hoàn toàn sau 120 phút. Qua nghiên cứu cho thấy phương pháp tẩm nano bạc lên vật liệu than hoạt tính là phương pháp phù hợp, cho hàm lượng bạc cao, kích thước nhỏ nếu tối ưu các điều kiện chế tạo. Với sự có mặt của các nhóm cacboxyl trên bề mặt, hy vọng có thể lưu giữ được các hạt nano bạc trên bề mặt than, cải thiện khả năng diệt khuẩn của vật liệu này. - Đánh giá được khả năng diệt khuẩn E.coli của các vật liệu được chế tạo - Đưa ra sơ đồ công nghệ triển vọng để có thể ứng dụng vào thực tế TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lê Thị Hoài Nam, et al. Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano bạc/than hoạt tính và đánh giá khả năng khử khuẩn của vật liệu. s.l. : Tạp chí khoa học. [2] M. Singh. Nanotechnology in medicine and antibacterial effect of silver nanoparticles. s.l. : Digest Journal of Nanomaterrials and Biostru. [3] N.H.Phú. Hấp phụ và xúc tác trên bề mặt vật liệu vô cơ mao quản. s.l. : nhà xuất bản khoa học kỹ thuật. [4] Nguyễn Đình Kiên. Công nghệ lọc nước lưu động sử dụng vật liệu Nano phục vụ cấp nước sinh hoạt cho vùng ngập lũ. s.l. : Viện Khoa Học Thủy Lợi Miền Nam. [5] Nguyễn Ngọc Dung. Giáo trình xử lý nước cấp. s.l. : Nhà xuất bản xây dựng. [6] Nguyễn Ngọc Hùng. Nghiên cứu chế tạo hạt nano bạc và tính sát khuẩn của nó. s.l. : Đại học quốc gia Hà Nội. [7] Tổng quan về công nghệ nano ở một số nước châu Á – Thái Bình Dương. Hà Nội : s.n. [8] Trần Quang Vinh, et al. Synthesis of some nano silver coated materials and their antibacterial performances against E.coli. s.l. : Tạp chí Hóa học. [9] Trần Thị Bích Hạnh. Nghiên cứu tổng hợp và đánh giá khả năng khử khuẩn của vật liệu nano bạc trên than hoạt tính. s.l. : Đại học quốc gia Hà Nội.