Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật môi trường: Nghiên cứu chế tạo và sử dụng vật liệu nano bạc, đồng, sắt để xử lý vi khuẩn lam độc trong thủy vực nước ngọt.pdf (Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật môi trường)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ --------------------------- TRẦN THỊ THU HƢƠNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ SỬ DỤNG VẬT LIỆU NANO BẠC, ĐỒNG, SẮT ĐỂ XỬ LÝ VI KHUẨN LAM ĐỘC TRONG THỦY VỰC NƢỚC NGỌT Chuyên ngành : Kỹ thuật môi trƣờng Mã số : 9 52 03 20 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT MÔI TRƢỜNG Hà Nội - 2018 Công trình được hoàn thành tại Học viện Khoa học và Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS. TS. Dương Thị Thủy - Viện Công nghệ môi trường 2. TS. Hà Phương Thư - Viện Khoa học Vật liệu Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Học viện, họp tại Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam vào hồi … giờ …’, ngày … tháng … năm 201…. Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Học viện Khoa học và Công nghệ - Thư viện Quốc gia Việt Nam 1 GIỚI THIỆU LUẬN ÁN 1. Tính cấp thiết của luận án Trong những gần đây, ô nhiễm môi trường đất, nước và không khí đã trở thành vấn đề hết sức nan giải không chỉ ở Việt Nam mà còn diễn ra ở nhiều nơi trên thế giới, trong đó ô nhiễm môi trường nước là trầm trọng hơn cả. “Nở hoa nước” là hiện tượng phát triển bùng phát của vi tảo, đặc biệt là vi khuẩn lam (VKL) tại các thủy vực nước ngọt và thường gây ra những tác động xấu lên môi trường như làm đục nước, tăng pH, giảm hàm lượng oxy hòa tan do quá trình hô hấp hoặc phân hủy sinh khối tảo và đặc biệt là việc phần lớn VKL sản sinh ra độc tố VKL có độc tính cao. Ngăn ngừa và giảm thiểu phát triển mạnh mẽ của VKL là vấn đề môi trường quan trọng cần được quan tâm. Nhiều phương pháp đã được sử dụng như hóa học, cơ học, sinh học… song hiệu quả không triệt để và khá tốn kém, gây ảnh hưởng tới hệ sinh thái và khó tiến hành, đặc biệt là trong những thủy vực lớn. Chính vì vậy việc tìm kiếm, phát triển những giải pháp mới có hiệu quả, không gây ô nhiễm thứ cấp và thân thiện với môi trường ngày càng được chú trọng nghiên cứu. Công nghệ nano là công nghệ liên quan đến việc chế tạo và ứng dụng các vật liệu có kích thước nano mét (nm). Ở kích thước nano, vật liệu có nhiều đặc tính nổi trội như có kích thước nhỏ hơn 100 nm, có diện tích tiếp xúc bề mặt lớn so với khối lượng, tạo ra ảnh hưởng của bề mặt Plasmon cộng hưởng, khả năng bám dính tốt và được ứng dụng trong nhiều ngành nghề khác nhau như y tế, mỹ phẩm, điện tử, xúc tác hoá học, môi trường... Vì vậy luận án được thực hiện với đề tài: “Nghiên cứu chế tạo và sử dụng vật liệu nano bạc, đồng, sắt để xử lý vi khuẩn lam độc trong thủy vực nước ngọt” đã được lựa chọn thực hiện. 2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án Nghiên cứu, chế tạo và xác định tính chất, đặc trưng của 03 vật liệu nano (bạc, đồng và sắt) và đánh giá khả năng diệt VKL của vật liệu nano trong thủy vực nước ngọt. 3. Các nội dung nghiên cứu chính của luận án 2 - Chế tạo và xác định đặc trưng, tính chất của ba loại vật liệu nano bạc, đồng và sắt. - Đánh giá khả năng diệt và ức chế VKL của ba loại vật liệu. - Đánh giá tính an toàn của vật liệu và các chế phẩm ứng dụng. - Thực nghiệm ứng dụng của vật liệu ở quy mô phòng thí nghiệm với mẫu nước hồ Tiền. Chƣơng 1. Tổng quan nghiên cứu 1.1. Tổng quan về vật liệu nano 1.2. Tổng quan về vi khuẩn lam và hiện tƣợng phú dƣỡng 1.3. Tổng quan về các biện pháp xử lý ô nhiễm tảo độc Chƣơng 2. Các phƣơng pháp nghiên cứu và thực nghiệm 2.1. Đối tƣợng nghiên cứu 2.2. Hóa chất, thiết bị sử dụng trong nghiên cứu 2.3. Các phƣơng pháp tổng hợp vật liệu 2.3.1. Tổng hợp vật liệu nano bạc bằng phương pháp khử hóa học Vật liệu nano bạc được tổng hợp bằng phương pháp khử hóa học, ion Ag+ trong dung dịch muối bạc được khử thành Ag0 nhờ tác nhân khử NaBH4. 2.3.2. Tổng hợp vật liệu nano đồng bằng phương pháp khử hóa học Vật liệu nano đồng được tổng hợp bằng phương pháp khử hóa học, khử ion Cu2+ từ muối đồng thành Cu0 nhờ tác nhân khử NaBH4. 2.3.3. Tổng hợp vật liệu nano sắt từ bằng phương pháp đồng kết tủa Vật liệu nano sắt từ Fe3O4 được tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa của muối Fe2+ và Fe3+ bởi NH4OH. 2.4. Các phƣơng pháp xác định đặc trƣng cấu trúc vật liệu Hình thái học của ba loại vật liệu nano được xác định bằng một số phương pháp như kính hiển vi truyền qua (TEM), kính hiển vi điện tử quét (SEM), phổ hồng ngoại (IR), phổ nhiễu xạ tia 3 X (XRD), phổ tử ngoại khả kiến (UV-VIS) và phổ tán sắc năng lượng (EDX). 2.5. Các phƣơng pháp bố trí thí nghiệm Các phương pháp thí nghiệm như nuôi cấy tảo, lựa chọn vật liệu nano, đánh giá độc tính của vật liệu, đánh giá sự ảnh hưởng của các loại kích thước vật liệu, đánh giá tính an toàn của vật liệu nano lên vi tảo và thí nghiệm với nước hồ Tiền đã được bố trí. 2.6. Các phƣơng pháp đánh giá ảnh hƣởng của vật liệu nano đến sinh trƣởng của vi tảo Để đánh giá ảnh hưởng của vật liệu nano đến sinh trưởng của vi tảo, các phương pháp sau đã được sử dụng: OD, chla, mật độ tế bào, các phương pháp phân tích một số chỉ tiêu chất lượng môi trường (NH4+, PO43-) và phương pháp quan sát bề mặt tế bào và cắt lát mỏng tế bào. 2.7. Phƣơng pháp thống kê, xử lý số liệu Chƣơng 3. Kết quả và thảo luận 3.1. Tổng hợp vật liệu nano 3.3.1. Tổng hợp vật liệu nano bạc bằng phương pháp khử hóa học 3.1.1.1. Ảnh hưởng của tỷ lệ nồng độ NaBH4/Ag+ Phổ đo UV-VIS (Hình 3.1) cho thấy dung dịch nano bạc hấp thụ ở bước sóng trong khoảng 400 nm và hiệu suất hình thành các hạt nano bạc đạt cực đại ở tỷ lệ 1:2. Kết quả chụp TEM (hình 3.2), cho thấy hạt nano bạc thu được có kích thước nhỏ hơn 20 nm. M1 M3 Hình 3.1. Phổ UV-VIS các mẫu nano Ag phụ thuộc tỷ lệ nồng độ NaBH4/Ag+ M2 M4 M5 Hình 3.2. Ảnh TEM của nano Ag phụ thuộc vào tỷ lệ nồng độ BH4-/Ag+ 4 3.1.1.2. Ảnh hưởng của nồng độ chất ổn định chitosan Kết quả đo UV-VIS trên hình 3.4 cho thấy dung dịch nano Ag điều chế được hấp thụ ở bước sóng 402-411 nm. Ảnh TEM của các mẫu nano bạc phụ thuộc vào nồng độ chitosan được thể hiện trên hình 3.5. Nồng độ chitosan tối ưu cho quá trình điều chế dung dịch keo nano bạc được chọn là 300 mg/L. M6 M8 M7 M9 M1 0 Hình 3.4. Phổ UV-VIS của Hình 3.5. Ảnh TEM của nano nano bạc phụ thuộc vào nồng bạc phụ thuộc vào nồng độ độ chitosan chitosan 3.1.1.3. Ảnh hưởng của nồng độ axit citric Kết quả đo UV-VIS (Hình 3.7) cho thấy dung dịch nano bạc được điều chế hấp thụ bước sóng trong khoảng 400-412 nm. Với tỷ lệ [Citric]/[Ag+] = 3,0 các hạt nano bạc thu được có kích thước nhỏ, đồng đều nhất và đều nhỏ hơn 20 nm, kết quả đo TEM được thể hiện trên hình 3.8. M1 1 M12 M1 3 M14 M15 M1 6 Hình 3.7. Phổ UV-VIS của nano bạc phụ thuộc vào nồng độ axit citric Hình 3.8. Ảnh TEM của nano Ag phụ thuộc nồng độ [Citric]/[Ag+] 5 Hình 3.9. Ảnh HR-TEM của vật liệu nano Ag khảo sát ở tỷ lệ tối ưu Cấu trúc hạt nano bạc ở tỷ lệ lựa chọn có cấu trúc tinh thể lục giác điển hình của hạt nano kim loại. Ảnh HR-TEM ở hình 3.9 cho thấy các tinh thể có cấu trúc mạng lập phương tâm mặt Fcc. Vật liệu nano bạc ở điều kiện tỷ lệ nồng độ chất khử NaBH4/Ag+ là 1/4, tỷ lệ [Citric]/[Ag+] = 3,0 và nồng độ chitosan là 300 mg/L được tổng hợp để thử nghiệm ảnh hưởng của vật liệu đến sinh trưởng của các đối tượng nghiên cứu trong luận án. 3.1.2. Chế tạo vật liệu nano đồng bằng phương pháp khử hóa học 3.1.2.1. Ảnh hưởng của tỉ lệ nồng độ NaBH4/Cu2+ Giản đồ XRD treen hinhf 3.19 xuất hiện cả ba đỉnh có cường độ hoàn toàn trùng khớp với phổ chuẩn của kim loại đồng với các mặt (111), (200), (220) tương ứng với góc 2θ = 43,3; 50,4 và 74,00 thuộc mạng Bravais trong cấu trúc lập phương tâm mặt M2 Fcc của kim loại đồng. M1 M3 M4 M5 Hình 3.10. Phổ XRD của vật Hình 3.11. Ảnh SEM của các liệu nano Cu khảo sát theo tỉ mẫu nano đồng theo tỷ lệ 2+ lệ NaBH4/Cu NaBH4/Cu2+ Kết quả đo SEM (Hình 3.11) của vật liệu được thực hiện để xác định mức độ phân bố của hạt Cu và đo TEM để xác định kích thước hạt nano Cu (Hình 3.12). 6 M1 M2 M 3 M4 M5 Hình 3.12. Ảnh TEM của các Hình 3.13. Phổ XRD của vật mẫu nano đồng theo tỷ lệ liệu nano Cu khảo sát theo NaBH4/Cu2+ nồng độ Cu0 Kết quả đo TEM cho thấy, khi tỉ lệ nồng độ NaBH4/Cu2+ = 1 : 1 và 1,5: 1 thì các hạt nano Cu tạo ra có kích thước > 50 nm. Các hạt phân bố khá đồng đều với kích thước khoảng 20- 50 nm khi tỉ lệ NaBH4/Cu2+ = 2 : 1. Các hạt nano có hiện tượng co cụm lại thành từng đám, phân bố không đồng đều, kích thước > 50 nm khi tỉ lệ NaBH4/Cu2+ = 3:1 và 4:1, phù hợp với kết quả đo SEM. Để đáp ứng mục tiêu của luận án mẫu M3 (tỉ lệ NaBH4/Cu2+ = 2:1) đã được chọn làm mẫu đại diện. 3.1.2.2. Ảnh hưởng của nồng độ Cu0 Giản đồ XRD ở hình 3.1.3 của các mẫu nano Cu đều xuất hiện các pic đặc trưng của vật liệu Cu. Các pic đặc trưng trên giản đồ có cường độ rõ nét và độ bán rộng của đỉnh hẹp. Ngoài ra, trên giản đồ XRD của vật liệu còn thấy xuất hiện các pic đặc trưng của tinh thể CuO, Cu2O. N1 N3 N2 N4 N2 N1 N5 Hình 3.14. Ảnh SEM của vật liệu nano Cu khảo sát theo nồng độ Cu0 N3 N4 N5 Hình 3.15. Ảnh TEM của vật liệu nano Cu khảo sát theo nồng độ Cu0 7 Kết quả đo SEM (Hình 3.14) vật liệu cho thấy, các hạt nano Cu tạo thành phân bố với kích thước không đồng đều khi nồng độ của Cu0 tăng. Khi nồng độ Cu0 = 2g/L, các hạt nano đồng phân bố khá đồng đều với kích thước trong khoảng 20-40 nm. Khi tăng nồng độ Cu0 = 3; 4g/L thì các hạt đồng tạo ra bắt đầu có hiện tượng co cụm lại và tạo ra các hạt có kích thước > 50 nm, phân bố không đồng đều khi nồng độ Cu0 = 6; 7g/L, phù hợp với kết quả đo TEM (Hình 3.15). Cấu trúc vật liệu nano đồng ở tỷ lệ được lựa chọn cho thấy các hạt nano Cu hình thành có bề mặt khá đồng nhất (ảnh SEM, hình 3.16a), kích thước đồng đều trong khoảng 30 - 40 nm (ảnh TEM, hình 3.16b) và có cấu trúc lập phương tâm mặt Fcc với các đỉnh nhiễu xạ của các mặt phẳng mạng (111), (200) và (220) tương ứng với góc 2θ = 43,3; 50,4 và 74,00 với cường độ lớn (phổ XRD, hình 3.16c). Mẫu vật liệu này phù hợp với mục tiêu của luận án và được lựa chọn cho các thử nghiệm tiếp theo. b) a) Faculty of Chemistry, HUS, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - Cu-51 3000 2900 2800 2700 2600 2500 2400 2300 d=2.089 2200 2100 2000 1900 Lin (Cps) 1800 1700 1600 1500 1400 1300 1200 d=1.808 1100 1000 900 800 d=1.278 700 600 500 400 300 200 100 0 c) Hình 3.16. Đặc trưng chi tiết mẫu vật liệu nano đồng N1 (a) Ảnh SEM, (b) Ảnh TEM, (c) Giản đồ XRD 3.1.3. Chế tạo vật liệu nano sắt từ bằng phương pháp đồng kết tủa 3.1.3.1. Ảnh hưởng của nồng độ chất ổn định CMC Kết quả khảo sát hình thái, kích thước và sự phân tán vật liệu ở tỷ lệ giữa chất ổn định (CMC) và tiền chất (Fe3O4) lần lượt là 1/1; 2/1; 3/1; 4/1 và 1/2 bằng phương pháp SEM và TEM thể hiện trên hình 3.17 và 3.18. Kết quả chụp SEM cho 1 10 20 30 40 50 60 70 2-Theta - Scale File: ThuyVCNMT Cu-51.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 1.000 ° - End: 79.990 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 0.3 s - Anode: Cu - WL1: 1.5406 - Generator kV: 40 kV - Generator mA: 40 mA - Creation: 06/10/2016 3:54:39 P Left Angle: 42.490 ° - Right Angle: 44.350 ° - Obs. Max: 43.281 ° - d (Obs. Max): 2.089 - Max Int.: 1890 Cps - Net Height: 1668 Cps - FWHM: 0.231 ° - Raw Area: 852.6 Cps x deg. - Net Area: 440.4 Cps x deg. 01-085-1326 (C) - Copper - Cu - Y: 16.13 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Cubic - a 3.61500 - b 3.61500 - c 3.61500 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Face-centered - Fm-3m (225) - 4 - 47.2416 - I/Ic PDF 8.9 - F4 1) 80 8 thấy, khi nồng độ CMC trong dung dịch cao thì các hạt nano sắt thu được không đồng đều và kích thước hạt lớn, sự tập hợp giữa các hạt nano dễ dàng xảy ra. Tại nồng độ CMC/Fe3O4 là 2/1 thì các hạt nano sắt thu được có kích thước đồng đều nhất và đều nhỏ hơn 20 nm. Hình 3.17. Ảnh SEM cấu trúc Hình 3.18. Ảnh TEM cấu trúc vật liệu nano sắt từ khảo sát vật liệu nano sắt từ khảo sát theo tỷ lệ CMC/ Fe3O4 theo tỷ lệ CMC/Fe3O4 Kết quả chụp TEM cho thấy kích thước hạt nano thay đổi rất khác nhau khi thay đổi nồng độ CMC. Khi tỷ lệ Fe3O4/CMC = 2:1 các hạt nano sắt thu được có kích thước nhỏ, đồng đều nhất và nhỏ hơn 20nm, nằm trong giới hạn kích thước siêu thuận từ. Vì vậy mẫu vật liệu có tỷ lệ Fe3O4/CMC = 2:1 (ký hiệu mẫu FC21) được lựa chọn để khảo sát các yếu tố tiếp theo. 3.1.3.2. Kết quả đo hồng ngoại của vật liệu Hình 3.19. Phổ hồng ngoại của mẫu vật liệu Fe3O4 (a), CMC (b), FC21 (c) và tổng hợp phổ của ba mẫu (d) Hình 3.20. Kết quả đo từ độ của vật liệu FC21

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật môi trường: Nghiên cứu chế tạo và sử dụng vật liệu nano bạc, đồng, sắt để xử lý vi khuẩn lam độc trong thủy vực nước ngọt

Nội dung