5

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU CERAMIC GẮN
NANO BẠC ĐỂ SẢN XUẤT BỘ DỤNG CỤ LỌC NƯỚC
UỐNG CÁ NHÂN
CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

TRẦN THỊ NHÀN

HÀ NỘI, NĂM 2017


BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU CERAMIC GẮN
NANO BẠC ĐỂ SẢN XUẤT BỘ DỤNG CỤ LỌC NƯỚC
UỐNG CÁ NHÂN
TRẦN THỊ NHÀN
CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG
MÃ SỐ: 60440301

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. TRẦN THỊ NGỌC DUNG

HÀ NỘI, NĂM 2017

Để hoàn thành luận văn tốt nghiệp, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất
đến Tiến sĩ Trần Thị Ngọc Dung, Trưởng phòng phòng Công nghệ thân môi
trường thuộc Viện Công nghệ môi trường đã tận tình hướng dẫn và truyền đạt
cho tôi những kinh nghiệm quý báu, những lời khuyên cần thiết trong suốt
quá trình làm luận văn.
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến ThS. Vũ Thị Mai đã giúp đỡ tôi
trong quá trình thực hiện đề tài, đồng thời tôi xin cảm ơn quý thầy cô, trường
Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội, đặc biệt thầy cô khoa Môi trường
đã nhiệt tình truyền dạy những kinh nghiệm quý báu, những phương pháp
nghiên cứu căn bản và những công cụ hỗ trợ đắc lực cho quá trình làm việc và
nghiên cứu hiện tại cũng như trong tương lai.
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến GS.TSKH Nguyễn Đức Hùng và
các bạn đồng nghiệp của Viện Công nghệ môi trường đã giúp đỡ tôi trong
suốt quá trình thực hiện luận văn này.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn với gia đình, các anh, chị, em, đã hết lòng
giúp đỡ về vật chất và chỗ dựa tinh thần với những lời động viên cho công
việc nghiên cứu để hoàn thành luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn các bạn ở lớp CH1MT khóa 1 đã nhiệt tình
giúp đỡ trong suốt quá trình vừa qua.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày tháng năm 201
HỌC VIÊN

Trần Thị Nhàn


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................. i

2.1.2. Phương pháp nghiên cứu....................................................................... 24
2.2. Hóa chất, dụng cụ và thiết bị.................................................................... 25
2.2.1. Hóa chất................................................................................................ 25
2.2.2. Thiết bị và dụng cụ................................................................................ 26
2.3. Lựa chọn tỉ lệ hỗn hợp cao lanh/ chất độn và nhiệt độ nung vật liệu
ceramic ............................................................................................................ 26
2.4. Các phương pháp đánh giá đặc tính của vật liệu ...................................... 30
2.4.1. Phân tích nhiệt trọng lượng (DTG – TG) ........................................... 30
2.4.2. Xác định độ xốp biểu kiến của vật liệu .............................................. 30
2.4.3. Đánh giá độ thôi nhiễm của vật liệu khi tiếp xúc môi trường nước... 31
2.4.4. Phương pháp phân tích vi sinh .............................................................. 32
2.4.5. Xác định diện tích bề mặt và kích thước lỗ xốp (BET) ..................... 34
2.4.6. Xác định cấu trúc tinh thể bằng nhiễu xạ tia X (XRD) ...................... 34
2.4.7. Xác định thành phần nguyên tố trong mẫu bằng phổ kế huỳnh quang
tia X (XRF)...................................................................................................... 34
2.4.8. Xác định kích thước nano bạc bằng việc sử dụng kính hiển vi điện tử
quét (SEM) ...................................................................................................... 35


v

2.4.9. Đánh giá sự rửa trôi bạc từ vật liệu lọc .............................................. 35
2.5. Tính toán, thiết kế bộ dụng cụ lọc nước cá nhân sử dụng vật liệu ceramic
chế tạo được .................................................................................................... 36
2.5.1. Xác định các thông số cơ bản ............................................................... 36
2.5.2. Tính toán kích thước và nguyên vật liệu............................................... 37
2.5.3. Mô tả thử nghiệm với bộ dụng cụ lọc ................................................... 40
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN..................... 42
3.1. Hình thái học của vật liệu ceramic sau khi nung ..................................... 42
3.2. Phân tích đặc tính của vật liệu ceramic xốp nano bạc ............................. 42



vii

THÔNG TIN LUẬN VĂN
Họ và tên học viên: Trần Thị Nhàn
Lớp: CH1MT

Khóa: 2015-2017

Cán bộ hướng dẫn: TS.Trần Thị Ngọc Dung
Tên đề tài: “Nghiên cứu chế tạo vật liệu ceramic gắn nano bạc để sản
xuất bộ dụng cụ lọc nước uống cá nhân”
Tóm tắt:
Nước vô cùng quý báu và hết sức thiết yếu đối với sự sống của các
sinh vật trên trái đất. Đảm bảo nước sạch cho nhu cầu ăn uống của con
người nhất là với những nơi có điều kiện sống khó khăn như trong thời
gian lũ lụt, những khu vực vùng sâu, vùng xa rất cần được quan tâm và
đầu tư. Ngoài ra, nhu cầu sử dụng dụng cụ lọc nước cá nhân cho quân sự,
dã ngoại,...là rất lớn. Dụng cụ lọc nước cá nhân sử dụng vật liệu ceramic
xốp gắn nano bạc sẽ đáp ứng được yêu cầu này.
Đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu đặc trưng vật liệu như
DTG-TG, SEM, BET, cũng như đánh giá khả năng diệt vi sinh vật,... từ
đó lựa chọn điều kiện tối ưu chế tạo vật liệu lọc cũng như dụng cụ lọc
nước uống. Từ kết quả nghiên cứu, luận văn tìm ra điều kiện tối ưu để chế
tạo vật liệu lọc là tỷ lệ cao lanh với mùn cưa tẩm muối bạc là 75: 25 và
nung ở 1100 oC trong 60 phút để đạt độ xốp 47,383%. Đã chế tạo thành
công bộ dụng cụ lọc nước cá nhân với công suất 0,3 L/h. Kết quả ban đầu
cho thấy, bộ dụng cụ này có khả năng loại bỏ hoàn toàn các vi sinh vật và
một lượng Asen có mặt trong nước đầu vào là nước Hồ Tây.

: Bộ Y tế

cs

: Cộng sự

CSF

: Ceramic silver-impregnated filter

CFU

: Colony forming unit

DTG-TG

: Phân tích nhiệt trọng lượng vi sai

ICP-MS

: Phổ khối nguyên tử plasma cảm ứng

SEM

: Kính hiển vi điện tử quét

-SH

: Nhóm sunfohydril


Bảng 1.1 Tỷ lệ hộ có nguồn nước hợp vệ sinh phân theo vùng ........................ 5
Bảng 1.2. Số ca mắc bệnh truyền nhiễm giai đoạn 2011-2014 ........................ 6
Bảng 3.1. Bảng tổng hợp giá trị nhiệt độ và trọng lượng hao hụt của vật liệu46
Bảng 3.2. Độ xốp tổng của vật liệu lọc chế tạo được tại nhiệt độ và tỷ lệ nhau
......................................................................................................................... 49
Bảng 3.3. Các tham số vật lý của vật liệu lọc ceramic xốp sử dụng mùn cưa 50
Bảng 3.4. Thành phần các nguyên tố có trong vật liệu ceramic ..................... 53
Bảng 3.5. Khả năng diệt khuẩn E.coli và Coliforms của vật liệu lọc theo thời
gian tiếp xúc .................................................................................................... 56
Bảng 3.6. Kết quả phân tích ICP - MS............................................................ 66


x

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Cơ chế diệt khuẩn của nano bạc ...................................................... 12
Hình 1.2. Hình dạng lõi lọc và nguyên tắc hoạt động của lõi lọc ................... 14
Hình 1.3. Bộ lọc nước sử dụng một lõi lọc và hai lõi lọc ............................... 14
Hình 1.4. Bộ lọc nước bằng gốm và thùng chứa nước sau lọc ....................... 16
Hình 1.5. Đĩa lọc bằng gốm ............................................................................ 16
Hình 1.6. Sự kết hợp giữa hạt nano bạc và gốm ............................................. 17
Hình 1.7. Gốm xốp không gắn nano bạc (hình a) và có gắn nano bạc (hình b)
......................................................................................................................... 17
Hình 1.8. Khối lượng của TPA và nano bạc bị phôi vào nước theo thời gian 18
Hình 1.9. Khả năng diệt khuẩn của thiết bị lọc gốm gắn TPA và nano bạc ... 18
Hình 1.10. Hệ thống lọc nước bằng gốm ........................................................ 19
Hình 1.11. Dụng cụ lọc cá nhân Lifestraw ..................................................... 19
Hình 1.12. Màng gốm lọc nước có phủ nano bạc ........................................... 21
Hình 1.13. Bộ dụng cụ lọc nước ceramic xốp cố định nano bạc .................... 21
Hình 1.14. Màng lọc gốm xốp chế tạo tại Bình Định ..................................... 22

Hình 3.12. Mẫu nước Hồ Tây trước khi lọc (M0) và sau khi lọc (M1) .......... 64


xii

Hình 3.13. Kết quả vi sinh nước Hồ Tây trước khi lọc (hình a) và sau khi lọc
(hình b) ............................................................................................................ 65
Hình 3.14. Kết quả đo độ đục của dung dịch trước và sau khi lọc qua thiết bị
......................................................................................................................... 65


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài luận văn
Nước là nguồn tài nguyên vô cùng quý báu và hết sức thiết yếu đối
với sự sống của các sinh vật trên trái đất. Nước duy trì sự sống quan trọng
hơn cả các thành phần dinh dưỡng khác. Cơ thể con người được cấu thành
chủ yếu là nước. Nước phân phối khắp nơi trong cơ thể như máu, não bộ,
phổi,.... Tuy nhiên, hiện nay rất nhiều người trên thế giới sử dụng nước không
đảm bảo yêu cầu vệ sinh, nó là nguyên nhân dẫn đến các bệnh tật cho con
người.
Mức độ ô nhiễm nước đang ngày càng gia tăng do kiểm soát không hiệu
quả nguồn gây ô nhiễm. Tình trạng này đã và đang gây ra những ảnh hưởng
đến sức khỏe của người, làm tăng nguy cơ ung thư, sảy thai và dị tật bẩm
sinh, dẫn đến suy giảm nòi giống. Theo thống kê của Bộ Y tế và Bộ Tài
nguyên Môi trường trung bình Việt Nam có khoảng 9.000 người tử vong mỗi
năm và gần 200.000 trường hợp mắc bệnh ung thư mới phát hiện, mà một
trong những nguyên nhân chính là sử dụng nguồn nước ô nhiễm.
Tại Campuchia [1], việc sử dụng bộ dụng cụ lọc nước để cung cấp nước

bạc với các dạng định hình khác nhau như dạng viên, dạng màng bằng
phương pháp khử in-situ.
- Đánh giá các đặc trưng tính chất của vật liệu thu được, khả năng diệt khuẩn
tĩnh, khả năng rửa trôi bạc trong dịch lọc.
+ Các đặc trưng tính chất của vật liệu thu được được thể hiện qua các
phân tích SEM, BET,....
+ Thử nghiệm khả năng diệt khuẩn của vật liệu
+ Đánh giá khả năng thôi nhiễm bạc của vật liệu lọc .


3

3. Ý nghĩa khoa học của luận văn
- Chế tạo thành công vật liệu lọc ceramic xốp gắn nano bạc dạng hạt bằng
phương pháp in-situ cho phép bạc được gắn đều trên bề mặt các lỗ xốp và
được cố định trên vật liệu và đồng thời làm giảm đáng kể hiện tượng bạc trôi
trong quá trình sử dụng. Vật liệu chế tạo ra có khả năng diệt khuẩn, phù hợp
với việc khử trùng cho nước ăn uống và thích hợp dùng cho bộ dụng cụ lọc cá
nhân.
- Kết quả của luận văn góp phần giải quyết được nhu cầu về nước ăn uống của
các cá nhân ở vùng lũ lụt, vùng khó khăn về nước và nhu cầu dã ngoại.


4

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1.

Tổng quan về tình hình ô nhiễm môi trường nước hiện nay


Vùng

Tỷ lệ hộ có

nguồn nước hợp

nguồn nước

Vùng

vệ sinh (%)

hợp vệ sinh (%)

Phân theo thành thị - nông thôn
Thành thị

97,7

Nông thôn

87,4

Phân theo vùng
Đồng bằng sông
Hồng
Trung du và miền
núi phía Bắc

98,6

Có nhiều nguyên nhân khách quan và chủ quan dẫn đến tình trạng ô
nhiễm môi trường nước như: sự gia tăng dân số; mặt trái của quá trình công
nghiệp hóa, hiện đại hóa; nhận thức của người dân về vấn đề ô nhiễm môi
trường chưa cao; cơ sở hạ tầng yếu kém, lạc hậu; lũ lụt,... Đáng chú ý là sự
bất cập trong hoạt động quản lý, bảo vệ môi trường. Các quy định về quản lý


6

và bảo vệ môi trường còn thiếu, cơ chế phân công và phối hợp giữa các cơ
quan, các ngành và địa phương chưa đồng bộ, còn chồng chéo, chưa quy định
trách nhiệm rõ ràng; chưa có chiến lược, quy hoạch khai thác, sử dụng và bảo
vệ tài nguyên nước theo lưu vực, vùng lãnh thổ.
1.1.2. Tác hại của ô nhiễm môi trường nước
Bệnh tật có liên quan đến ô nhiễm nguồn nước đã từ lâu được xem là
một mối đe dọa lớn đối với sức khỏe cộng đồng, đặc biệt các bệnh như: bệnh
tả, bệnh đường tiêu hóa và các bệnh ngoài da,... Tác hại ô nhiễm môi trường
nước đối với sức khỏe con người chủ yếu do nước bị ô nhiễm vi trùng, vi
khuẩn, các chất hữu cơ, asen và kim loại nặng (chì, cadimi, thủy ngân,...) và
các hóa chất độc hại. Hiện nay, vẫn còn nhiều hộ dân sử dụng nước sông, ao
hồ, kênh rạch để phục vụ sinh hoạt hàng ngày nên ảnh hưởng đến sức khỏe,
nguy cơ nhiễm các bệnh về đường tiêu hóa là rất lớn. Báo cáo hiện trạng môi
trường quốc gia [3] đã chỉ ra việc gia tăng các yếu tố nguy cơ từ ô nhiễm
nước, không khí, thực phẩm, rác thải,…ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng.
Bảng 1.2. Số ca mắc bệnh truyền nhiễm giai đoạn 2011-2014 [3]
Đơn vị: Số ca mắc bệnh
Tên bệnh

2011


753,714

720,247

660,450

Tay - chân - miệng

113,121

157,391

79,495

Nước ô nhiễm ảnh hưởng đến sức khỏe con người có thể thông qua hai
con đường: một là do ăn uống; hai là do tiếp xúc trong quá trình sinh hoạt và


7

lao động. Trong số các bệnh khác nhau liên quan đến nước thì các bệnh
thường gặp là tiêu chảy do vi rút Rota, dịch tả, thương hàn, viêm gan, viêm dạ
dày, viêm ruột, tiêu chảy, viêm não, giun sán, đau mắt hột, các bệnh do muỗi
truyền (sốt rét, sốt xuất huyết, viêm não Nhật Bản) (bảng 1.2).
Bên cạnh các bệnh về đường tiêu hóa như tiêu chảy, lỵ,… ô nhiễm nguồn
nước còn gây bệnh thiếu máu, bệnh về da. Nguyên nhân chủ yếu do nguồn
nước bị nhiễm asen, kim loại nặng như chì, cadimi,… Tại một số địa phương,
khi quan sát các trường hợp ung thư, viêm nhiễm phụ khoa chiếm từ 40 đến
50 % là do từng sử dụng nguồn nước bị ô nhiễm [3].
1.2.

và định lượng. Coliforms chịu nhiệt có khả năng phát triển trong môi trường
có mặt các muối mật hoặc các chất bề mặt tương tự, và tạo ra axit và khí từ
khả năng lên men lactose trong vòng 48 giờ ở nhiệt độ 44 ± 0,5 °C [8].
1.2.2. Chỉ thị sinh vật trong môi trường nước
Theo QCVN 01:2009/BYT do Cục Y tế dự phòng và Môi trường biên
soạn và được Bộ trưởng Bộ Y tế ban hành theo Thông tư số: 04/2009/TT –
BYT ngày 17 tháng 6 năm 2009 quy định về chất lượng nước ăn uống cũng
sử dụng hai thông số vi khuẩn chỉ thị là Coliforms tổng số và E.coli hoặc
Coliforms chịu nhiệt. Theo quy chuẩn này, nước ăn uống phải đảm bảo không
có Coliforms tổng số và E.coli hoặc Coliforms chịu nhiệt trong 100 mL nước.
Do vi khuẩn có thể lan truyền gây bệnh cho người nên sự hiện diện của E.coli
hoặc Coliforms chịu nhiệt chứng tỏ nước có thể bị nhiễm phân hoặc xử lý
không hiệu quả.
1.3.

Các phương pháp khử trùng nước hiện nay
Các quá trình xử lý cơ học không thể loại trừ được toàn bộ vi sinh vật

có trong nước, việc loại bỏ chúng cần tiến hành các biện pháp khử trùng. Khử
trùng có thể theo quá trình vật lý hoặc hóa học.
Các phương pháp vật lý [9]
-

Phương pháp nhiệt: Khi đun sôi nước ở 100 oC đa số các vi sinh vật bị


9

tiêu diệt. Phương pháp này đơn giản nhưng tốn năng lượng (than, gas, củi,…)
nên thường được áp dụng trong quy mô nhỏ như cá nhân, hộ gia đình.

đều tạo ra axit hypoclorit (HOCl) có tác dụng khử trùng rất mạnh. Quá trình
diệt vi sinh vật xảy ra qua 2 giai đoạn: Đầu tiên chất khử trùng khuếch tán
xuyên qua màng tế bào vi sinh, sau đó phản ứng với men bên trong tế bào và
phá hoại quá trình trao đổi chất dẫn đến sự diệt vong của tế bào.
Phản ứng đặc trưng là sự thủy phân của clo tạo ra axit hypoclorit và axit
clohyđric:


10

Cl2 + H2O ⇔ HOCl + HCl
Khi sử dụng clorua vôi làm chất khử trùng:
Ca(OCl)2 + H2O ⇔ CaO + 2HOCl
Tốc độ của quá trình khử trùng tăng khi nồng độ của chất khử trùng và
nhiệt độ nước tăng. Tốc độ khử trùng bị chậm đi rất nhiều khi trong nước có
các chất hữu cơ, cặn lơ lửng và các chất khử khác.
Tuy nhiên, việc sử dụng clo và các hợp chất của clo có nhược điểm là
tạo thành hợp chất cơ clo có hại cho sức khỏe cho người sử dụng, làm nước
có mùi khó chịu.
-

Khử trùng bằng ion các kim loại nặng
Với nồng độ rất nhỏ của ion kim loại nặng có thể tiêu diệt được các vi

sinh vật và rêu, tảo sống trong nước. Khử trùng bằng phương pháp này đòi
hỏi thời gian tiếp xúc lớn.
-

Khử trùng bằng ôzon
Ôzon được tạo ra bằng cách cho oxy hoặc không khí qua thiết bị phóng