Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu cố định bạc kim loại kích thước nanomet trên bề mặt than hoạt tính làm vật liệu tiệt trùng nước

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:67

Thêm vào BST

Báo xấu

32
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Trong những năm gần đây, việc sử dụng than hoạt tính biến tính bằng một số ion kim loại thể hiện rõ triển vọng ứng dụng để làm sạch nước ngầm sử dụng trong sinh hoạt. Với tham vọng tổng hợp được một vật liệu mới tận dụng khả năng hấp phụ của than hoạt tính và khả năng kháng khuẩn của nano bạc, chúng tôi lựa chọn nano bạc là tác nhân dùng để biến tính than hoạt tính. Mời các bạn cùng tìm hiểu nội dung chi tiết.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu cố định bạc kim loại kích thước nanomet trên bề mặt than hoạt tính làm vật liệu tiệt trùng nước

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Dương Thị Thu Hương NGHIÊN CỨU CỐ ĐỊNH BẠC KIM LOẠI KÍCH THƯỚC NANOMET TRÊN BỀ MẶT THAN HOẠT TÍNH LÀM VẬT LIỆU TIỆT TRÙNG NƯỚC LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2016
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Dương Thị Thu Hương NGHIÊN CỨU CỐ ĐỊNH BẠC KIM LOẠI KÍCH THƯỚC NANOMET TRÊN BỀ MẶT THAN HOẠT TÍNH LÀM VẬT LIỆU TIỆT TRÙNG NƯỚC Chuyên ngành: Hóa môi trường Mã số: 60440120 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. TRẦN HỒNG CÔN Hà Nội – 2016
LỜI CẢM ƠN Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn PGS. TS. Trần Hồng Côn, thầy đã giao đề tài và tận tình hướng dẫn, tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo tại bộ môn Hoá Môi trường và các phòng thí nghiệm tại khoa Hóa học – Trường Đại học Khoa học Tự nhiện – Đại học Quốc Gia Hà Nội đã giúp đỡ em trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu vừa qua. Chân thành cảm ơn các bạn học viên, các em sinh viên làm việc trong phòng thí nghiệm hóa môi trường đã giúp đỡ tôi trong quá trình tìm tài liệu và hoàn thiện luận văn. Trong quá trình làm nghiên cứu và báo cáo đề tài, chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự góp ý của quý thầy cô để đề tài được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 18 tháng 01 năm 2016 Học viên: Dương Thị Thu Hương
DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Số nguyên tử bạc trong một đơn vị thể tích 4 Bảng 1.2 Một số chất hấp phụ điển hình 14 Bảng 1.3 Khả năng hấp thụ của than hoạt tính 17 Bảng 3.1 Kết quả khảo sát nước đầu vào 38 Bảng 3.2 Kết quả khảo sát thời gian tiếp xúc với vật liệu A5 40 Kết quả khảo sát khả năng diệt khuẩn của dãy vật liệu theo Bảng 3.3 41 phương pháp tĩnh Bảng 3.4 Kết quả khảo sát tốc độ dòng với vật liệu A5 43 Bảng 3.5 Kết quả khảo sát chiều cao cột với vật liệu A5 44 Bảng 3.6 Kết quả khảo sát chiều cao cột với vật liệu A4 46 Bảng 3.7 Kết quả khảo sát chiều cao cột với vật liệu A3 47 Bảng 3.8 Kết quả khảo sát chiều cao cột với vật liệu A2 48 Bảng 3.9 Kết quả khảo sát chiều cao cột với vật liệu A1 49 Bảng 3.10 Kết quả khảo sát chiều cao cột với vật liệu A0 50 Bảng 3.11 Kết quả khảo sát nước sông Kim Ngưu ở đầu vào 51 Bảng 3.12 Khảo sát chiều cao cột khi tiệt trùng nước sông Kim Ngưu 52 Bảng 3.13 Khảo sát tốc độ dòng khi tiệt trùng nước sông Kim Ngưu 53
DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Tác động của ion bạc lên vi sinh vật 5 Hình 1.2 Ion bạc liên kết với các bazơ của DNA 7 Hình 1.3 Khẩu trang nano bạc do Viện Công nghệ môi trường sản xuất 10 Hình 1.4 Dược phẩm, mỹ phẩm sử dụng nano bạc 10 Hình 1.5 Dung dịch nano bạc dùng cho nông nghiệp và thủy sản 10 Hình 1.6 Các sản phẩm khác có chứa nano bạc 11 Hình 2.1 Quy trình tổng hợp vật liệu than hoạt tính tẩm nano bạc 27 Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của kính hiển vi điện tử truyền qua 31 Hình 2.3 Ảnh TEM của các hạt nano bạc kích thước 10 nm 32 Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của kính hiển vi điện tử quét 32 Hình 3.1 Ảnh TEM của dung dịch nano bạc 400mg/l 34 Hình 3.2 Dung dịch nano bạc ở các nồng độ khác nhau 35 Hình 3.3 Ảnh SEM của vật liệu than hoạt tính A0 35 Hình 3.4 Ảnh SEM của vật liệu A1 36 Hình 3.5 Ảnh SEM của vật liệu A2 36 Hình 3.6 Ảnh SEM của vật liệu A3 37 Hình 3.7 Ảnh SEM của vật liệu A4 37 Hình 3.8 Ảnh SEM của vật liệu A5 38 Hình 3.9 Kết quả khảo sát nước đầu vào 39 Hình 3.10 Kết quả khảo sát thời gian tiếp xúc với vật liệu A5 40 Hình 3.11 Sự phụ thuộc của số lạc khuẩn vào thời gian tiếp xúc với vật liệu A5 41
Kết quả khảo sát khả năng diệt khuẩn của dãy vật liệu theo phương Hình 3.12 42 pháp tĩnh Hình 3.13 Sự phụ thuộc của số lạc khuẩn vào hàm lượng bạc 42 Hình 3.14 Kết quả khảo sát tốc độ dòng với vật liệu A5 43 Hình 3.15 Sự phụ thuộc của số lạc khuẩn vào tốc độ dòng với vật liệu A5 44 Hình 3.16 Kết quả khảo sát chiều cao cột với vật liệu A5 45 Hình 3.17 Sự phụ thuộc của số lạc khuẩn vào chiều cao cột với vật liệu A5 45 Hình 3.18 Kết quả khảo sát chiều cao cột với vật liệu A4 46 Hình 3.19 Sự phụ thuộc của số lạc khuẩn vào chiều cao cột với vật liệu A4 46 Hình 3.20 Kết quả khảo sát chiều cao cột với vật liệu A3 47 Hình 3.21 Sự phụ thuộc của số lạc khuẩn vào chiều cao cột với vật liệu A3 47 Hình 3.22 Kết quả khảo sát chiều cao cột với vật liệu A2 48 Hình 3.23 Sự phụ thuộc của số lạc khuẩn vào chiều cao cột với vật liệu A2 48 Hình 3.24 Kết quả khảo sát chiều cao cột với vật liệu A1 49 Hình 3.25 Sự phụ thuộc của số lạc khuẩn vào chiều cao cột với vật liệu A1 49 Hình 3.26 Kết quả khảo sát chiều cao cột với vật liệu A0 50 Hình 3.27 Sự phụ thuộc của số lạc khuẩn vào chiều cao cột với vật liệu A0 50 Hình 3.28 Kết quả khảo sát nước sông Kim Ngưu ở đầu vào 51 Hình 3.29 Khảo sát chiều cao cột khi tiệt trùng nước sông Kim Ngưu 52 Sự phụ thuộc của số lạc khuẩn vào chiều cao cột khi tiệt trùng nước Hình 3.30 52 sông Kim Ngưu Hình 3.31 Kết quả khảo sát tốc độ dòng khi tiệt trùng nước sông Kim Ngưu 53 Sự phụ thuộc của số lạc khuẩn vào tốc độ dòng khi tiệt trùng nước Hình 3.32 54 sông Kim Ngưu
BẢNG KÍ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT AC Than hoạt tính (Activated Carbon) CFU Số đơn vị hình thành khuẩn lạc (Colony Forming Unit) PEG Polyetylenglycol PVA Polyvinylancol PVP Polyvinylpyrrolidone SEM Kính hiển vi điện tử quét (Scanning electron Microscope) TEM Kính hiển vi điện tử truyền qua (Transmission electron Microscope)
MỤC LỤC MỞ ĐẦU.....................................................................................................................1 Chương 1: TỔNG QUAN ...........................................................................................2 1.1 Công nghệ nano và vật liệu nano bạc ................................................................2 1.1.1 Công nghệ nano...........................................................................................2 1.1.2 Vật liệu nano ...............................................................................................3 1.1.3 Bạc và nano bạc...........................................................................................4 1.2 Sơ lược về hấp phụ và than hoạt tính ..............................................................13 1.2.1 Khái niệm hấp phụ ....................................................................................13 1.2.2 Chất hấp phụ..............................................................................................14 1.2.3 Than hoạt tính............................................................................................15 1.3 Ô nhiễm vi sinh vật trong nước sinh hoạt và nước thải...................................18 1.3.1 Nguồn ô nhiễm và sự phân bố vi sinh vật trong nước và thực phẩm........18 1.3.2 Đặc điểm của coliform ..............................................................................19 1.3.3 Các phương pháp định lượng vi sinh vật ..................................................20 Chương 2: THỰC NGHIỆM.....................................................................................23 2.1 Hóa chất và dụng cụ ........................................................................................23 2.1.1 Hóa chất.....................................................................................................23 2.1.2 Dụng cụ .....................................................................................................23 2.2 Tổng hợp vật liệu .............................................................................................24 2.2.1 Quy trình điều chế dung dịch nano bạc.....................................................24 2.2.2 Quy trình tổng hợp vật liệu than hoạt tính tẩm nano bạc ..........................25 2.2.3 Xác định lượng nano bạc dư trong dung dịch lọc .......................................26 2.3 Quy trình khảo sát khả năng tiệt trùng của vật liệu .........................................27 2.3.1 Rửa và khử trùng dụng cụ .........................................................................27 2.3.2 Chuẩn bị mẫu nước thử nghiệm ................................................................28 2.3.3 Chuẩn bị môi trường thạch Endo ..............................................................29
2.3.4 Định lượng coliform..................................................................................29 2.4 Một số phương pháp nghiên cứu vật liệu ........................................................30 2.4.1 Kính hiển vi điện tử truyền qua.................................................................30 2.4.2 Kính hiển vi điện tử quét ...........................................................................32 Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................33 3.1 Kết quả nghiên cứu cấu trúc của các vật liệu...................................................34 3.1.1 Kết quả phân tích dung dịch nano bạc ......................................................34 3.1.2 Kết quả nghiên cứu các vật liệu than hoạt tính tẩm nano bạc ...................35 3.2 Khảo sát khả năng diệt khuẩn của các vật liệu Ag – AC.................................39 3.2.1 Khảo sát số lượng coliform trong mẫu nước đầu ......................................39 3.2.2 Khảo sát khả năng diệt khuẩn của các vật liệu Ag – AC theo phương pháp tĩnh......................................................................................................................40 3.2.3 Khảo sát khả năng diệt khuẩn của các vật liệu Ag – AC theo phương pháp động ....................................................................................................................43 3.2.4 Khảo sát khả năng diệt khuẩn của vật liệu Ag – AC với nước sông Kim Ngưu – Hà Nội ...................................................................................................51 KẾT LUẬN ...............................................................................................................55 TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................56
MỞ ĐẦU Hiện nay tình trạng ô nhiễm môi trường nước đang được nhiều nhà khoa học quan tâm bởi nước sạch là nhu cầu thiết yếu của cuộc sống. Nước sinh hoạt bị ô nhiễm thường chứa các chất có hại cho sức khỏe của con người hoặc lượng lớn các vi sinh vật gây bệnh cho người và động vật. Coliform là vi khuẩn thường gặp có số lượng lớn trong môi trường từ phân người và động vật. Coliform được coi như là vi sinh vật chỉ thị cho mức độ ô nhiễm vi khuẩn của các nguồn nước. Chính vì vậy mà việc khử trùng nước cho mục đích sinh hoạt và ăn uống đang thu hút các nhà khoa học nghiên cứu sử dụng công nghệ đã có từ nghìn năm trước là sử dụng kim loại bạc. Bạc được biết đến là kim loại quý và khả năng diệt khuẩn rất tốt. Tuy nhiên vấn đề kinh tế cũng là một rào cản không nhỏ để đưa những vật liệu chứa bạc ứng dụng một cách rộng rãi vào cuộc sống. Công nghệ nano ra đời đã đưa những ứng dụng của bạc phát triển lên một tầm cao mới. Ở kích thước nano, bạc thể hiện khả năng kháng khuẩn mạnh mà không gây ảnh hưởng tới con người và môi trường. Cách sử dụng nano bạc làm chất diệt khuẩn có thể là đưa trực tiếp vào nước. Phương pháp này tốn kém hơn so với cố định nano bạc lên một vật liệu mang và quá trình diệt khuẩn được thực hiện như một quá trình lọc nước. Than hoạt tính từ lâu đã được sử dụng để làm sạch nước. Tuy nhiên, ứng dụng của than trong xử lý nước mới chỉ dừng lại ở việc loại bỏ các hợp chất hữu cơ và một số thành phần lơ lửng trong nước. Trong những năm gần đây, việc sử dụng than hoạt tính biến tính bằng một số ion kim loại thể hiện rõ triển vọng ứng dụng để làm sạch nước ngầm sử dụng trong sinh hoạt. Với tham vọng tổng hợp được một vật liệu mới tận dụng khả năng hấp phụ của than hoạt tính và khả năng kháng khuẩn của nano bạc, chúng tôi lựa chọn nano bạc là tác nhân dùng để biến tính than hoạt tính. Vì vậy, chúng tôi đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu cố định bạc kim loại kích thước nanomet trên bề mặt than hoạt tính làm vật liệu tiệt trùng nước”. 1
Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Công nghệ nano và vật liệu nano bạc 1.1.1 Công nghệ nano 1.1.1.1 Khái niệm và nguồn gốc của công nghệ nano Công nghệ nano là ngành công nghệ liên quan đến việc chế tạo, thiết kế, phân tích cấu trúc và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng, kích thước trên quy mô nanomet (nm, 1 nm = 10-9 m). Ở kích thước nano, vật liệu sẽ có những tính năng đặc biệt mà vật liệu truyền thống không có được đó là do sự thu nhỏ kích thước và việc tăng diện tích mặt ngoài. Ý tưởng cơ bản về công nghệ nano được đưa ra bởi nhà vật lý học người Mỹ Richard Feynman vào năm 1959, ông đề cập tới khả năng chế tạo vật chất ở kích thước siêu nhỏ đi từ quá trình tập hợp các nguyên tử, phân tử. Nhưng thuật ngữ “công nghệ nano” mới bắt đầu được sử dụng vào năm 1974 do Nario Taniguchi một nhà nghiên cứu tại trường đại học Tokyo sử dụng để đề cập khả năng chế tạo cấu trúc vi hình của mạch vi điện tử. Những năm 1980, nhờ sự ra đời của hàng loạt các thiết bị phân tích, trong đó có kính hiển vi đầu dò quét có khả năng quan sát đến kích thước vài nguyên tử hay phân tử, con người mới có thể quan sát và hiểu rõ hơn về lĩnh vực nano. Từ đó, công nghệ nano bắt đầu được đầu tư nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ. 1.1.1.2 Cơ sở khoa học của công nghệ nano Công nghệ nano dựa trên những cơ sở khoa học chủ yếu sau: - Chuyển tiếp từ tính chất cổ điển đến tính chất lượng tử: Đối với vật liệu vĩ mô gồm rất nhiều nguyên tử, các hiệu ứng lượng tử được trung bình hóa với rất nhiều nguyên tử (1 µm3 có khoảng 1012 nguyên tử) và có thể bỏ qua các thăng giáng ngẫu nhiên. Nhưng các cấu trúc nano có ít nguyên tử hơn thì các tính chất lượng tử thể hiện rõ ràng hơn. 2
- Hiệu ứng bề mặt: Khi vật liệu có kích thước nm, các số nguyên tử nằm trên bề mặt sẽ chiếm tỉ lệ đáng kể so với tổng số nguyên tử. Chính vì vậy các hiệu ứng có liên quan đến bề mặt, gọi tắt là hiệu ứng bề mặt sẽ trở nên quan trọng làm cho tính chất của vật liệu có kích thước nanomet khác biệt so với vật liệu ở dạng khối. Ví dụ như Au là vật liệu rất trơ về mặt hóa học nhưng Au ở cấp độ nano lại là chất có hoạt tính xúc tác, ferit sắt từ nano là chất hấp phụ tốt đối với một số ion độc như As, Cr…điều này mở ra những ứng dụng quan trọng trong lĩnh vực xúc tác, công nghệ sinh học và môi trường. - Kích thước tới hạn: Vật liệu thông thường thường được đặc trưng bởi một số tính chất vật lý, hóa học không đổi như độ dẫn điện, nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi, tính từ… tuy nhiên các tính chất này đều có một giới hạn nhất định về kích thước. Nếu kích thước của vật liệu nhỏ hơn kích thước này thì tính chất của nó hoàn toàn bị thay đổi. Kích thước đó gọi là kích thước tới hạn. Vật liệu nano có tính chất đặc biệt là do kích thước của chúng có thể so sánh được với kích thước tới hạn của các tính chất vật liệu [2]. 1.1.2 Vật liệu nano Vật liệu nano là những tập hợp của nguyên tử kim loại hay phi kim hay phân tử của những oxit, sunfua, nitrua, clorua…có kích thước hạt trung bình trong khoảng từ 1 – 100nm. Đó cũng có thể là các vật liệu xốp với đường kính mao quản nằm trong giới hạn tương tự (zeolit, photphat và cacboxylat kim loại…) [2]. Về hình dáng, người ta chia vật liệu nano thành các loại: - Vật liệu một chiều là vật liệu trong đó chỉ có một chiều là kích thước nano. Ví dụ như dây nano, ống nano… - Vật liệu nano hai chiều là vật liệu có hai chiều là kích thước nano ví dụ như màng mỏng. - Vật liệu nano ba chiều (cả ba chiều đều có kích thước nano) như đám nano, dung dịch keo nano, hạt nano… 3
- Vật liệu nanocomposit là vật liệu trong đó chỉ có một phần của vật liệu có cấu trúc nano hoặc gồm các cấu trúc nano ba chiều, một chiều, hai chiều đan xen như Ag/silica… 1.1.3 Bạc và nano bạc 1.1.3.1 Giới thiệu về bạc kim loại Nguyên tố bạc có kí hiệu hóa học là Ag, nằm ở ô 47, chu kì 5, nhóm IB, trong Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học. Cấu hình electron các phân lớp ngoài cùng là 4d105s1. Ag kết tinh ở dạng lập phương tâm diện, có bán kính nguyên tử là 0 1,44  . Ag là kim loại nặng, mềm, có ánh kim, màu trắng, có hai đồng vị bền là 107 Ag (51,9%) và 109Ag (48,1%) [6]. Nhiệt độ sôi, nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ thăng hoa của bạc cao hơn nhiều so với hầu hết các kim loại khác. Về độ dẫn điện và dẫn nhiệt, bạc đứng đầu trong số tất cả các kim loại. Bạc cũng vượt xa các kim loại khác về tính dẻo, dễ dát mỏng và dễ kéo sợi. Về mặt hóa học, bạc là kim loại rất kém hoạt động. Bạc không tác dụng với oxi không khí kể cả khi đun nóng nên bạc được xem là kim loại quý điển hình. Bảng 1.1: Số nguyên tử bạc trong một đơn vị thể tích [11] Kích thước của hạt nano Ag (nm) Số nguyên tử chứa trong đó 1 31 5 3900 20 250000 1.1.3.2 Đặc tính kháng khuẩn của bạc Từ xa xưa, người ta đã sử dụng đặc tính này của bạc để phòng bệnh. Người cổ đại sử dụng các bình bằng bạc để lưu trữ nước, rượu dấm. Trong thế kỷ 20, 4
người ta thường đặt một đồng bạc trong chai sữa để kéo dài độ tươi của sữa. Bạc và các hợp chất của bạc được sử dụng rộng rãi từ đầu thế kỷ XIX đến giữa thế kỷ XX để điều trị các vết bỏng và khử trùng. Bạc và các hợp chất của bạc thể hiện tính độc đối với vi sinh vật, virus, tảo và nấm. Tuy nhiên, khác với các kim loại nặng khác (chì, thủy ngân…) bạc không thể hiện tính độc với con người. Sau khi thuốc kháng sinh được phát minh và đưa vào ứng dụng với hiệu quả cao người ta không còn quan tâm đến tác dụng kháng khuẩn của bạc nữa. Tuy nhiên, từ 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 dưới dạng hạt có kích thước nano. 1.1.3.3 Cơ chế kháng khuẩn của bạc Hình 1.1: Tác động của ion bạc lên vi sinh vật 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 bạc. Các quan điểm này chủ yếu dựa trên sự vô hiệu hóa nhóm thiol trong men vận chuyển oxi hoặc sự tương tác với DNA dẫn đến sự đime hóa pyriđin và cản trở quá trình sao chép DNA của tế bào vi sinh vật. 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 amioaxit để tạo độ cứng cho màng: các protein được gọi là peptidoglican. 5
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 cao có lớp màng bảo vệ hoàn toàn khác so với tế bào vi sinh vật với 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 các ion này. Do đó, hạt bạc không có khả năng tấn công đến các tế bào của động vật bậc cao, đặc biệt là con người. Đây là lí do khiến hạt bạc được sử dụng làm tác nhân diệt khuẩn [16, 17]. 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-   2Ago + Oo Theo các nhà khoa học Nga, hiện nay đã có nhiều lý thuyết về cơ chế tác dụng diệt vi sinh vật của nano bạc được đề xuất, trong đó lý thuyết hấp phụ được nhiều người chấp nhận hơn cả. Bản chất của thuyết này là ở chỗ tế bào vi sinh vật bị vô hiệu hóa là do kết quả của quá trình tương tác tĩnh điện giữa bề mặt mang điện tích âm của tế bào và ion Ag+ được hấp phụ lên đó, các ion này sau đó xâm nhập vào bên trong tế bào vi sinh vật và vô hiệu hóa chúng [20]. Ngoài ra, có một cơ chế tác động của các ion bạc lên vi sinh vật đáng chú ý được mô tả như sau: Sau khi Ag+ tác động lên lớp màng bảo vệ của tế bào vi sinh vật gây bệnh nó sẽ đi vào bên trong tế bào và phản ứng với nhóm sunfuahydrin – SH của phân tử 6
enzym chuyển hóa oxy và vô hiệu hóa men này dẫn đến ức chế quá trình hô hấp của tế bào vi sinh vật [11]. Bên cạnh đó, các ion bạc còn có khả năng liên kết với các bazơ của DNA và trung hòa điện tích của gốc photphat do đó ngăn chặn quá trình sao chép DNA. Hình 1.2: Ion bạc liên kết với các bazơ của DNA Cho đến nay mới chỉ có một quan điểm liên quan đến cơ chế tác động của nano bạc lên tế bào vi sinh vật là được đa số các nhà khoa học thừa nhận. Đó là khả năng diệt vi sinh vật của hạt nano bạc nhờ quá trình chuyển đổi các nguyên tử bạc kim loại thành dạng ion Ag+ tự do và các ion tự do này sau đó tác dụng lên vị trí mang điện tích âm trên vi sinh vật. Mặc dù cơ chế tác dụng của các ion bạc lên vi sinh vật vẫn chưa hoàn toàn sáng tỏ, nhưng đa số các nhà nghiên cứu có cùng quan điểm thống nhất rằng chúng phá hủy chức năng hô hấp hoặc phá hủy chức năng của tế bào, hoặc liên kết với DNA của tế bào vi sinh vật và phá hủy chức năng của chúng [19]. 1.1.3.4 Bạc nano và tính ưu việt của bạc nano so với bạc ion và bạc khối Nano bạc là tập hợp của các nguyên tử bạc có kích thước từ 1 tới 100 nm thường được chế tạo ở dạng bột và dạng keo. Nano bạc mang đầy đủ tính chất của bạc khối như dẫn điện, dẫn nhiệt, khả năng xúc tác, tính điện quang, khả năng diệt khuẩn. Ngoài ra, bạc nano có nhiều tính khác biệt so với bạc kim loại nhờ các đặc tính của nano như diện tích bề mặt lớn, khả năng phân tán tốt trong các dung môi. 7
Điển hình như khả năng diệt khuẩn, xúc tác tốt hơn hẳn so với bạc kim loại hay bạc ion và lượng bạc cần sử dụng thì ít hơn rất nhiều góp phần tiết kiệm chi phí sản xuất. Các hạt nano bạc có hiện tượng cộng hưởng Plasmon bề mặt. 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. Khả năng kháng khuẩn xuất hiện cả ở bạc kim loại, bạc ion và bạc nano bởi chúng đều có thể giải phóng ion bạc ra môi trường và chính những ion này đóng vai trò là chất diệt khuẩn. Nhưng khi ở trạng thái bạc khối, lượng ion bạc được giải phóng ra là rất ít; còn nếu sử dụng dung dịch ion bạc để diệt khuẩn thì thời gian tác dụng ngắn do tính không bền của ion bạc. Ở trạng thái nano, với diện tích bề mặt riêng rất lớn là một hệ giải phóng ion bạc tốt, các ion bạc được giải phóng từ từ vào môi trường nên đạt khả năng diệt khuẩn cao và lâu dài [4, 8]. Bạc nano là vật liệu có diện tích bề mặt riêng rất lớn bạc có khả năng kháng khuẩn tốt hơn so với các vật liệu khối do khả năng giải phóng nhiều ion Ag+ hơn đồng thời có những đặc tính độc đáo sau [11]: - 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. 8
1.1.3.5 Ứng dụng diệt khuẩn của vật liệu nano bạc Do thể hiện tính kháng khuẩn tốt nên nano bạc thường được sử dụng để làm chất khử trùng, kháng khuẩn, khử mùi… Nano bạc có thể sử dụng ở dạng dung dịch làm chất diệt khuẩn trực tiếp hay đưa vào các vật liệu khác để tạo ra những sản phẩm mới có khả năng kháng khuẩn rất tốt. Chúng có phổ diệt khuẩn rộng và không ảnh hưởng tới sức khỏe con người nên được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. - Trong y học người ta dùng nano bạc để làm các loại bông gạc y tế (gạc chữa bỏng được phủ nano bạc), các dụng cụ phẫu thuật, dung dịch tẩy trùng và một số dược phẩm. - Trong may mặc người ta có thể tạo ra vải có chứa nano bạc giúp cho loại vải mới này có khả năng tự diệt khuẩn và nhờ đặc tính bề mặt mà nó cũng giảm khả năng bám bẩn của vải. - Nhờ tính năng khử khuẩn của nano bạc và tác dụng lọc mùi, lọc khí độc của than hoạt tính, khẩu trang kết hợp nano bạc và than hoạt tính được sản xuất hứa hẹn ngăn ngừa cúm A/H1N1. 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 sinh vật, virus, nấm bị giữ lại trên khẩu trang đồng thời có tác dụng khử mùi. - Trong xây dựng sử dụng sơn nano bạc có khả năng tự diệt khuẩn chống bám bẩn, dễ lau chùi. - 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. - Ứng dụng của hạt bạc nano sản xuất hàng tiêu dùng: trong sinh hoạt hằng ngày các đồ dùng sinh hoạt được phủ nano bạc như tủ lạnh, bộ lọc điều hòa nhiệt độ, bình lọc nước, bình sữa... với tác dụng chính là chống khuẩn. Những đồ dùng 9
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 sinh vật. - Màng hô hấp: Đó là một tấm màng mỏng có thể cho khí và hơi nước qua nhưng không thể cho chất lỏng đi qua, có vô số những lỗ khí nhỏ tồn tại trong tấm film. Các hạt nano bạc gần đây đã được kết hợp với film polyolefin với đặc tính kháng khuẩn rất tốt. Dưới đây là một số hình ảnh về ứng dụng của nano bạc: Hình 1.3: Khẩu trang nano bạc do Viện Công nghệ môi trường sản xuất Hình 1.4: Dược phẩm, mỹ phẩm sử dụng nano bạc Hình 1.5: Dung dịch nano bạc dùng cho nông nghiệp và thủy sản 10
Hình 1.6: Các sản phẩm khác có chứa nano bạc 1.1.3.6 Các phương pháp điều chế nano bạc Người ta có thể sử dụng các quy trình khác nhau cũng như các điều kiện khác nhau: chất đầu, phương pháp, điều kiện lọc, rửa, sấy, nung... để điều chế bạc nano với kích cỡ khác nhau để phục vụ cho những mục đích khác nhau. Nói chung, cũng giống như các vật liệu nano khác, bạc nano chủ yếu được tổng hợp bằng hai phương pháp vật lý và phương pháp hóa học. Ở đây, chúng tôi chỉ đề cập đến một số phương pháp điển hình đã được biết khá rộng rãi trên thế giới. * Phương pháp khử hoá học - Phương pháp khử hoá học là phương pháp phổ biến trong việc điều chế các hạt keo bạc nano. - Nguyên tắc là khử muối bạc (thường dùng AgNO3) dưới sự có mặt của một tác nhân bảo vệ thích hợp cần thiết (thường là các polime và các chất hoạt động bề mặt) để khống chế quá trình lớn lên và tập hợp của các hạt keo bạc. Kích thước hạt phụ thuộc vào khả năng khử của chất khử vào tác nhân bảo vệ và các điều kiện thí nghiệm (nồng độ dung dịch, nhiệt độ). - Tác nhân khử đóng vai trò quan trọng trong quá trình điều chế. Độ mạnh yếu của tác nhân khử ảnh hưởng tới kích thước, hình dạng của hạt nano tạo thành. Nếu chất khử quá mạnh, quá trình khử diễn ra nhanh, số lượng hạt keo bạc sinh ra quá nhiều chưa kịp được bảo vệ thì dễ dàng biến keo tụ thành các hạt có kích thước lớn. Nếu chất khử sử dụng quá yếu, quá trình xảy ra chậm, đạt hiệu suất thấp thì dễ sinh ra nhiều quá trình trung gian và các sản phẩm không mong muốn. 11