TÓM TẮT KHÓA LUẬN Polyvinylidene fluoride PVDF được biết đến là một trong những vật liệu phổ biến nhất được sử dụng để chế tạo màng lọc vì độ bền cơ học, khả năng kháng hóa chất và độ ổn
TỔNG QUAN
Tổng quan về màng lọc
1.1.1 Giới thiệu về màng lọc và các quá trình lọc màng
Màng lọc là cấu trúc vật liệu có khả năng phân tách các hỗn hợp khí - khí, lỏng - lỏng, rắn - lỏng và rắn - khí dựa trên kích thước, hình dạng hoặc tính chất hóa học Nó hoạt động như một rào cản giữa hai pha, cho phép một số thành phần đi qua trong khi giữ lại các thành phần khác Quá trình vận chuyển qua màng có thể diễn ra chủ động hoặc thụ động, phụ thuộc vào chênh lệch nồng độ, áp suất, điện trường hoặc nhiệt độ Công nghệ màng nổi bật với tính chọn lọc cao, cho phép phân tách mà không cần phụ gia và ở nhiệt độ thấp hơn so với các phương pháp truyền thống, tiết kiệm năng lượng Màng tổng hợp dạng rắn được chia thành hai loại chính.
Hình 1.1: Màng đối xứng và bất đối xứng [12]
Hiện nay, có bốn loại công nghệ màng lọc được sử dụng trong xử lý nước và nước thải, bao gồm màng vi lọc, màng siêu lọc, màng lọc nano và màng lọc thẩm thấu ngược.
1.1.2 Cơ chế tách qua màng
Cơ chế tách lọc qua màng là một quá trình phức tạp, với nhiều giả thuyết được đưa ra nhằm giải thích cách mà màng lọc thực hiện chức năng tách biệt các chất.
Giả thuyết này cho rằng màng có nhiều lỗ mao quản với kích thước xác định, cho phép các phân tử nhỏ hơn kích thước lỗ đi qua, trong khi các phân tử lớn hơn sẽ bị chặn lại Tuy nhiên, lý thuyết này chỉ áp dụng cho các quá trình lọc khi kích thước của chất tan lớn hơn, và không thể giải thích được khi cả dung môi và chất tan có cùng kích thước.
- Thuyết hòa tan khuếch tán
Theo giả thuyết, cả chất tan và dung môi đều khuếch tán qua màng dưới áp suất cao, với tốc độ khuếch tán khác nhau Tốc độ này phụ thuộc vào hệ số khuếch tán của từng chất qua màng Khi dung môi có hệ số khuếch tán cao và chất tan có hệ số khuếch tán thấp, quá trình tách chất sẽ đạt hiệu quả cao.
- Thuyết hấp phụ mao quản
Theo giả thuyết này, màng bán thấm có cấu trúc bao gồm nhiều mao quản, tạo ra lớp nước liên kết hấp phụ trên bề mặt màng Dưới tác động của các lực hóa lý, lớp hấp phụ này mất khả năng hòa tan các chất tan, giữ lại chất tan và ngăn không cho chúng đi qua ống mao quản Nếu đường kính ống mao quản nhỏ hơn hai lần độ dày lớp nước liên kết hấp phụ, chỉ có nước tinh khiết mới có khả năng đi qua màng Giả thuyết này cung cấp một giải thích đầy đủ về cơ chế và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân tách.
Hình 1.2: Mô hình các cơ chế tách lọc qua màng [12]
1.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình lọc của màng
Áp suất là yếu tố quan trọng trong quá trình lọc động lực, đặc biệt trong thẩm thấu ngược Khi áp suất tăng, khả năng lọc và lưu giữ ban đầu cũng tăng theo Tuy nhiên, khi áp suất đạt đến một mức nhất định, khả năng lọc và lưu giữ của màng sẽ ổn định và gần như không thay đổi.
Nồng độ các chất tách ra ảnh hưởng đến kích thước lỗ trên màng và áp suất cần thiết cho quá trình lọc Khi nồng độ chất quá cao, áp suất để đẩy chất qua màng tăng, dẫn đến tắc nghẽn màng và giảm hiệu quả lọc.
Trong một số trường hợp, việc thiết lập gradient nồng độ với nồng độ chất cao hơn ở một bên màng có thể thúc đẩy quá trình tách lọc Nồng độ chất tan cũng ảnh hưởng đến tốc độ khuếch tán qua các lỗ của màng, từ đó tác động đến hiệu quả tổng thể của quá trình lọc.
Độ pH của các chất tách ra có ảnh hưởng lớn đến độ hòa tan, độ ổn định và điện tích của chúng, từ đó tác động đến tốc độ khuếch tán qua lỗ màng Thay đổi độ pH có thể làm cho một chất trở nên ít hoặc nhiều hòa tan, ảnh hưởng đến khả năng đi qua các lỗ rỗng Hơn nữa, độ pH cũng ảnh hưởng đến độ ổn định và cấu trúc của vật liệu màng, giới hạn thời gian sử dụng của nó.
1.1.4 Hiện tượng tắc nghẽn màng
1.1.4.1 Định nghĩa và phân loại
Sự tắc nghẽn màng xảy ra khi các chất không hòa tan tích tụ trên bề mặt hoặc trong các lỗ xốp của màng, dẫn đến giảm hiệu quả lọc Tắc nghẽn có thể do các tác nhân bám vào màng và thường được phân loại thành bốn loại khác nhau.
Hình 1.3: Phân loại các nguyên nhân gây tắc nghẽn màng [13]
Tắc nghẽn do các chất hữu cơ xảy ra khi các thành phần như protein, chất béo, polysaccharide và các hợp chất hữu cơ hòa tan kết hợp với các ion như Ca 2+.
Mg 2+ tạo thành phức chất sau đó gắn kết với nhau tạo nên một lớp gel dính và tích tụ trên bề mặt màng lọc
Tắc nghẽn màng do các chất vô cơ và cặn bẩn xảy ra khi nồng độ của các muối vô cơ như CaCO3, CaSO4.xH2O, Ca3(PO4)2 và hydroxide kim loại tăng cao vượt mức độ tan, dẫn đến việc chúng kết tủa và bám lên bề mặt màng.
Tắc nghẽn do các thành phần keo xảy ra khi có sự xuất hiện của các phân tử keo và hạt lơ lửng, bao gồm khoáng sét, muối silic và hydroxide kim loại nặng Các hạt này có kích thước từ vài nanomet đến vài micromet, gây ra hiện tượng tắc nghẽn trong môi trường.
Tắc nghẽn do vi sinh vật xảy ra khi các tế bào vi khuẩn bám dính không thể đảo ngược, dẫn đến sự hình thành màng sinh học vi khuẩn qua bề mặt màng Quá trình này bắt đầu bằng sự bám dính của vi khuẩn sống, phát triển nhờ các chất dinh dưỡng trong môi trường nước Lớp màng sinh học có thể dày tới 20-30 μm do sự tích tụ dần của các vi sinh vật.
Tổng quan về công nghệ bức xạ
1.2.1 Một vài khái niệm trong công nghệ bức xạ
Trong ngành công nghiệp, công nghệ bức xạ năng lượng cao, đặc biệt là bức xạ ion hóa, rất quan trọng cho các quy trình sản xuất Một ví dụ điển hình là việc ứng dụng nguồn bức xạ gamma Co-60 và dòng điện gia tốc điện từ (Electron Beam) trong sản xuất.
Thông qua việc áp dụng công nghệ này, chúng ta có thể tạo ra các sản phẩm mới với tính ứng dụng cao bằng cách truyền năng lượng bức xạ vào vật chất, từ đó tác động đến các đặc tính vật lý, hóa học và sinh học của vật liệu.
Bức xạ là quá trình truyền tải năng lượng dưới dạng sóng điện từ, hạt hoặc sóng hạt trong sự chuyển động và biến đổi của vật chất Tính chất của bức xạ quyết định khả năng di chuyển của nó trong các môi trường như chất lỏng, chất rắn hoặc không khí Mối quan hệ giữa bước sóng λ và năng lượng ε được thể hiện qua phương trình ε = hv = hc/λ, trong đó c là vận tốc ánh sáng trong chân không và h là hằng số Planck.
Bức xạ ion hóa là loại bức xạ điện từ có khả năng gây ion hóa trong các chất rắn hoặc lỏng khi tương tác Khi bức xạ ion hóa tác động lên nguyên tử hoặc phân tử, hiện tượng tách electron sẽ xảy ra Các dạng bức xạ ion hóa bao gồm sóng điện từ như tia X và tia gamma, cũng như bức xạ hạt như alpha, beta và các sản phẩm phân hạch.
Liều chiếu xạ là khả năng ion hóa của tia X hoặc tia γ trong một đơn vị thể tích không khí ở điều kiện tiêu chuẩn (0 °C, 760 mmHg), với mỗi ion mang điện tích 1 coulomb Công thức tính liều chiếu xạ được biểu diễn bằng X = dQ/dm, với đơn vị đo là C/kg.
Suất liều chiếu xạ là khả năng ion hóa của bức xạ trong một đơn vị thời gian Đơn vị là R/s; R/min; R/h
Liều hấp thụ là lượng bức xạ mà một đơn vị khối lượng vật chất hấp thụ, được biểu thị bằng công thức D = dE/dm Đơn vị đo lường liều hấp thụ là Gray (Gy), trong đó 1 Gy tương đương với 1 J/kg.
Suất liều hấp thụ đề cập đến lượng bức xạ mà một đơn vị vật chất hấp thụ trong một khoảng thời gian nhất định Công thức tính suất liều hấp thụ được biểu diễn là D = dD/dt, với các đơn vị đo lường bao gồm Gy/s, kGy/h, rad/s và Mrad/h.
Hiệu suất hóa học bức xạ (G) là chỉ số quan trọng phản ánh số lượng phân tử, ion hoặc nguyên tử của sản phẩm được tạo ra hoặc phân hủy khi một hệ hấp thụ 100 eV năng lượng bức xạ.
D× 100, với N là số lượng phân tử sản phẩm được chuyển hóa (hình thành hoặc phân hủy) trên một thể tích Đơn vị là eV/ml
Hoạt độ phóng xạ là số nguyên tử đồng vị phóng xạ phân rã trên một đơn vị thời gian Đơn vị là Curie (Ci), 1 Ci = 3,7 1010 phân rã/s
Chu kỳ bán phân hủy t1/2 là thời gian để mà một chất phân hủy đi một nửa lượng ban đầu của nó Công thức: t1/2 = ln2/ = 0,69315/ [24]
Bức xạ gamma chủ yếu đến từ đồng vị phóng xạ Co-60, được hình thành qua phản ứng Co-59 (n,γ) Co-60 trong các lò phản ứng hạt nhân Ngoài ra, nguồn gamma Cs-137, mặc dù ít phổ biến hơn, cũng được tách ra từ nhiên liệu đã cháy của lò phản ứng hạt nhân Một nguồn bức xạ phi hạt nhân là chùm tia điện tử phát ra từ các thiết bị gia tốc điện tử Nghiên cứu này sẽ tập trung vào việc sử dụng chùm tia gamma từ nguồn Co-60, kèm theo sơ đồ khái quát của hệ thống chiếu xạ tia gamma.
Hình 1.6: Hệ thống dàn bức xạ tia gamma từ nguồn Co-60 SVST-Co60/B tại Trung tâm VINAGAMMA
1.2.3 Ứng dụng công nghệ bức xạ tại Việt Nam
Công nghệ bức xạ là một lĩnh vực khoa học hiện đại quan trọng, ảnh hưởng lớn đến sản xuất thực phẩm, thuốc men và quần áo Nó cũng đóng góp vào việc chẩn đoán và điều trị bệnh Tại Việt Nam, sự phát triển của công nghệ bức xạ đã mang lại nhiều lợi ích thiết thực, góp phần đáng kể vào sự tiến bộ của đất nước.
Công nghệ bức xạ trong nông nghiệp giúp tạo ra giống cây trồng mới với năng suất và chất lượng vượt trội thông qua đột biến gen Ngoài ra, công nghệ này còn được áp dụng để kiểm soát sâu bệnh, tiêu diệt côn trùng, vi khuẩn và ký sinh trùng, từ đó bảo quản hiệu quả nông sản và thực phẩm.
Trong lĩnh vực y tế, công nghệ hiện đại đang mở ra cơ hội nghiên cứu ứng dụng vi khuẩn và virus gây bệnh trong thuốc, mô, sản phẩm truyền máu và vaccine Bức xạ được áp dụng rộng rãi trong điều trị ung thư và chấn thương, với nhiều bệnh viện trên cả nước sử dụng máy phóng xạ trong hóa trị và xạ trị, mang lại hiệu quả cao.
Nghiên cứu ứng dụng công nghệ bức xạ không chỉ phục vụ đời sống xã hội mà còn góp phần quan trọng vào sự phát triển kinh tế - xã hội của đất nước, đồng thời cải thiện chất lượng sản phẩm và nâng cao sức khỏe con người.
1.2.4 Biến tính màng lọc bằng phương pháp chiếu xạ
Biến tính bề mặt mang lại nhiều lợi ích, bao gồm cải thiện các tính chất bề mặt của vật liệu mà không cần chế tạo lại toàn bộ khối vật liệu Phương pháp này giúp bề mặt đạt được các tính chất mong muốn và giảm chi phí chế tạo Thay vì tái chế tạo toàn bộ vật liệu, chỉ cần tác động lên bề mặt màng để đạt hiệu quả tối ưu.
Có nhiều phương pháp khác nhau để biến đổi bề mặt màng, chia thành hai nhóm chính:
Phương pháp vật lý trong xử lý bề mặt màng bao gồm các kỹ thuật như mài, đánh bóng và xử lý nhiệt, nhằm thay đổi các tính chất, cấu trúc và chức năng của bề mặt màng như độ nhám và kích thước lỗ rỗng Phương pháp này dễ thực hiện, có chi phí thấp và thân thiện với môi trường Tuy nhiên, phạm vi áp dụng của nó còn hạn chế, chủ yếu phù hợp với màng dạng tấm và không áp dụng cho các loại màng khác.
Tổng quan về vật liệu nano kim loại
1.3.1 Giới thiệu chung-phương pháp tổng hợp
Vật liệu nano kim loại là một lĩnh vực nghiên cứu có tính ứng dụng cao, với nhiều ứng dụng thực tiễn trong y học, sinh học, môi trường, năng lượng và vật liệu tiên tiến Vật liệu nano được định nghĩa là các vật liệu có kích thước rất nhỏ, từ vài đến vài trăm nanomet, với cấu trúc ở mức nguyên tử hoặc phân tử Những vật liệu này sở hữu tính chất đặc biệt nhờ vào các tương tác lượng tử và bề mặt nổi bật.
Với kích thước siêu nhỏ, các vật liệu nano kim loại mang lại những đặc tính vật lý và hóa học độc đáo, khác biệt so với kim loại thông thường Chúng có khả năng dẻo, bền và dẫn điện, cho phép ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như y tế, điện tử, vật liệu xây dựng, môi trường và nhiều công nghệ khác.
Hiện nay, vật liệu nano kim loại được tổng hợp chủ yếu qua hai phương pháp: phương pháp từ dưới lên và phương pháp từ trên xuống, như thể hiện trong hình 1.8.
Hình 1.8: Phương pháp tổng hợp hạt nano kim loại [32]
1.3.1.1 Phương pháp từ trên xuống
Nguyên lý của quá trình nghiền là biến đổi vật liệu từ kích thước lớn thành kích thước nano thông qua kỹ thuật nghiền đơn giản và tiết kiệm chi phí Phương pháp này có thể áp dụng cho nhiều loại vật liệu khác nhau, trong đó bột được hòa trộn với viên bi cứng trong cối nghiền, có thể là máy nghiền rung, lắc hoặc quay Sự va chạm giữa các viên bi tạo ra lực phá vỡ bột thành các hạt nano mà không làm hỏng vật liệu Nhiệt độ trong quá trình nghiền có thể được điều chỉnh, với nhiệt độ cao hơn điểm kết tinh gọi là biến dạng nóng, còn thấp hơn là biến dạng nguội Bên cạnh đó, phương pháp quang khắc cũng được sử dụng phổ biến để tạo ra các vật liệu nano.
1.3.1.2 Phương pháp từ dưới lên
Vật liệu nano được hình thành từ các nguyên tử hoặc ion, mang lại tính linh hoạt và chất lượng cao cho sản phẩm Hầu hết các vật liệu nano hiện nay đều được chế tạo bằng phương pháp này, có thể dựa trên các phương pháp vật lý, hóa học hoặc sự kết hợp của cả hai.
Phương pháp vật lý để tạo ra vật liệu nano bao gồm việc sử dụng các nguyên tử hoặc thông qua quá trình chuyển pha Các nguyên tử này được hình thành nhờ các kỹ thuật như đốt, phún xạ và phóng điện hồ quang Trong quá trình chuyển pha, vật liệu được xử lý ở nhiệt độ cao và sau đó được làm lạnh nhanh để đạt được trạng thái vô định hình.
Phương pháp hóa học là cách tạo ra vật liệu nano từ các ion thông qua các phản ứng hóa học, với ưu điểm nổi bật là tính đa dạng và khả năng tùy chỉnh quy trình cho từng loại vật liệu cụ thể Các phương pháp hóa học có thể được phân chia thành hai nhóm chính: nhóm tạo ra vật liệu nano từ pha lỏng, bao gồm các kỹ thuật như kết tủa và sol-gel, và nhóm từ pha khí, điển hình là phương pháp nhiệt phân.
Phương pháp kết hợp: là việc kết hợp cả hai phương pháp vật lý và hóa học bằng việc: điện phân, ngưng tụ từ pha khí,
1.3.2.1 Hiệu ứng bề mặt Ở kích thước nanomet, những nguyên tử nằm trên bề mặt của một vật liệu sẽ chiếm một phần lớn trong tổng số nguyên tử có trong vật liệu đó Nhờ vào đó làm nổi bật vai trò của các hiệu ứng bề mặt, dẫn đến sự khác biệt đáng kể về cấu trúc và tính chất giữa vật liệu nano và vật liệu khối thông thường
Hiệu ứng bề mặt tồn tại ở mọi kích cỡ vật liệu, nhưng ảnh hưởng của nó giảm dần khi kích thước hạt tăng Mặc dù hiệu ứng bề mặt xảy ra ở tất cả các loại vật liệu, bao gồm cả vật liệu khối truyền thống, nhưng thường bị bỏ qua Vì lý do này, việc ứng dụng hiệu ứng bề mặt trong vật liệu nano trở nên tương đối dễ dàng.
Hiệu ứng lượng tử xuất hiện khi kích thước vật liệu giảm, làm thay đổi tính chất chuyển động của điện tử Trong các vật liệu vĩ mô với số lượng lớn nguyên tử, các hiệu ứng lượng tử thường bị trung bình hóa do sự hiện diện của khoảng 10^12 nguyên tử, dẫn đến việc các biến động ngẫu nhiên có thể bị bỏ qua.
Khi một vật liệu đạt đến kích thước tới hạn, các tính chất vật lý và hóa học của nó sẽ trải qua sự biến đổi toàn diện, được gọi là hiệu ứng kích thước Những tính chất như điện, từ, quang và cơ sẽ có sự thay đổi đáng kể Hình 1.9 minh họa sự khác biệt về tính chất quang học của hạt nano vàng ở các kích thước khác nhau.
Hình 1.9: Ảnh hưởng của kích thước hạt đến màu sắc phân tán của hạt nano vàng [33]
1.3.2.3 Hiệu ứng cộng hưởng bề mặt
Cộng hưởng bề mặt trong hạt nano kim loại xảy ra khi ánh sáng chiếu tới bề mặt của vật liệu nano có kích thước nhỏ hơn bước sóng của bức xạ Các điện tử tự do ở vùng dẫn trên bề mặt hạt nano dao động dưới tác động của ánh sáng, dẫn đến hình thành các dao động đồng pha Khi tần số dao động của các điện tử trùng với tần số của ánh sáng, hiện tượng cộng hưởng từ bề mặt sẽ tạo ra trường điện từ mạnh xung quanh vật liệu nano kim loại, làm tăng nhiệt độ môi trường.
Khi ánh sáng chiếu vào kim loại có nhiều điện tử tự do, các điện tử này dao động dưới tác động của điện từ trường bên ngoài Tuy nhiên, nếu quãng đường tự do trung bình của các điện tử nhỏ hơn kích thước của hạt nano kim loại, các dao động sẽ nhanh chóng bị dập tắt bởi khuyết tật mạng hoặc cấu trúc tinh thể trong kim loại Hình 1.10 minh họa hiệu ứng cộng hưởng bề mặt khi ánh sáng tác động.
Hình 1.10: Hình biễu diễn hiện tượng cộng hưởng bề mặt [33]
1.3.3 Biến tính bề mặt màng lọc thông qua phương pháp phủ lớp hạt nano
Phương pháp phủ hạt nano lên bề mặt màng không chỉ cải thiện khả năng lọc mà còn ngăn chặn tình trạng tắc nghẽn, mang lại nhiều ưu điểm vượt trội cho quá trình xử lý.
Phương pháp này có thể dễ dàng áp dụng trong nhiều tình huống khác nhau bằng cách cải thiện tính chất bề mặt của màng Việc này không chỉ nâng cao hiệu suất lọc mà còn giảm thiểu tình trạng tắc nghẽn, từ đó tối ưu hóa quá trình tách lọc.
Tổng quan khuẩn E.coli
Escherichia coli, viết tắt là E.coli, là một loại vi khuẩn được phát hiện lần đầu vào năm 1885 và được đặt tên bởi Theodor Escherich Đây là vi khuẩn gram âm, có hình dạng hình trụ, có roi và không sinh bào tử E.coli thuộc nhóm vi khuẩn đường ruột, nổi bật với cấu trúc tế bào có lông đuôi, cho phép di chuyển linh hoạt trong môi trường.
E.coli được cấu tạo từ 5 phần quan trọng như: vùng nhân nơi chứa ADN, ribosome (tế bào chất), vỏ nhầy, thành tế bào và màng sinh chất được thể hiện như trên hình 1.13
Hình 1.13: Cấu tạo vi khuẩn E.coli [47].
E.coli thích ứng với nhiều điều kiện môi trường khác nhau, sống và phát triển ở nhiệt độ dao động từ 5- 40 o C Một số chủng có thể tồn tại trong môi trường nghèo dinh dưỡng Nhiệt độ lý tưởng để nuôi cấy là 37 o C, tương đương với nhiệt độ cơ thể người Dưới điều kiện thích hợp, vi khuẩn phát triển rất nhanh với thời gian sinh sản của một thế hệ
Quá trình phát triển của vi sinh vật chỉ mất khoảng 20 đến 30 phút Trong những điều kiện môi trường không thuận lợi, chúng có thể chuyển hình dạng thành dạng que hoặc dạng sợi Kích thước của chúng dao động từ 2 đến 3 micromet, với chiều dài khoảng 0,5 micromet.
Vi khuẩn E.coli là tế bào nhân sơ, không có màng nhân, thường xuất hiện trong môi trường nước như ao, hồ và trong hệ tiêu hóa của động vật có xương sống E.coli được phân chia thành hai loại chính: gây bệnh và không gây bệnh, với nhiều bệnh lý liên quan đến loại gây bệnh.
E.coli gây ra như: tiêu chảy, ngộ độc, các bệnh liên quan đến đường ruột,…Tuy nhiên chủng E.coli có ý nghĩa và đóng một vai trò rất quan trọng trong lĩnh vực y học mang lại nhiều giá trị và đóng góp to lớn cho những nghiên cứu dịch tể, kháng sinh ở người.
THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Nguyên vật liệu, hóa chất, dụng cụ và thiết bị nghiên cứu
2.1.1 Nguyên vật liệu và hóa chất
The 0.45 μm PVDF membrane is sourced from Thermo Fisher Scientific Inc (USA) The materials used for membrane modification include acrylic acid (C3H4O2, Shanghai Chemical Co., China, 98%), Mohr's salt ((NH4)2Fe(SO4)2.6H2O), and acetone (C3H6O, Shanghai Chemical Co., China, ≥ 99.5%).
Dung dịch nano bạc với nồng độ 500 ppm và kích thước hạt trung bình từ 10-20 nm, cùng với dung dịch nano đồng có nồng độ 500 ppm và kích thước hạt trung bình khoảng 30 nm, được cung cấp bởi Trung tâm Hạt nhân Tp HCM.
Chủng vi khuẩn Escherichia coli 61813 được cung cấp bởi phòng thí nghiệm Vi sinh - Viện Nghiên cứu nuôi trồng Thủy sản 2 TP Hồ Chí Minh
Các hóa chất sử dụng cho thí nghiệm kháng khuẩn: Nutrient broth (NB) được cung cấp bởi HiMedia (Ấn Độ); thạch agar (100%, Việt Nam)
Tất cả các nguyên liệu trên được sử dụng trực tiếp không qua bất cứ quá trình xử lí nào
Các dụng cụ được sử dụng trong khóa luận này bao gồm: becher, ống đong, pipet, đĩa petri, fiol, cá từ, đũa thủy tinh, que cấy,
- Nguồn chiếu xạ gamma từ thiết bị chiếu xạ SVST-Co60/B
- Máy khuấy từ gia nhiệt IKA, RHbasic (Đức)
- Cân phân tích 4 số Satorius, CP324S (Đức)
- Tủ sấy Yamato, DNF410 (Nhật Bản)
- Nồi hấp tiệt trùng, Hirayama (Nhật Bản)
- Máy lắc ngang, Edmund Buehler (Đức).
Phương pháp thực nghiệm và nội dung nghiên cứu
Nghiên cứu này tập trung vào việc chế tạo màng PVDF-g-AAc thông qua phương pháp chiếu xạ, sau đó gắn kết các hạt nano kim loại như nano bạc và nano đồng, nhằm tạo ra màng có tính năng kháng khuẩn.
2.2.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của liều xạ và nồng độ AAc lên mức độ phần trăm ghép của màng PVDF-g-AAc bằng phương pháp chiếu xạ
2.2.1.1 Theo phương pháp chiếu xạ trước
Hình 2.1: Sơ đồ chế tạo màng PVDF-g-AAc theo phương pháp chiếu xạ trước Quy trình thực nghiệm được thuyết minh như sau:
Màng lọc PVDF có kích thước 3x3 cm² được cắt và xử lý bằng hỗn hợp acetone/H2O theo tỷ lệ 2:1 để loại bỏ tạp chất Sau đó, màng được sấy khô trong tủ sấy ở nhiệt độ 60°C trước khi tiến hành chiếu xạ.
Mẫu màng PVDF được đặt vào túi zip có lỗ để tạo môi trường oxy và được chiếu xạ bằng tia gamma từ nguồn Co-60 tại trung tâm VINAGAMMA với liều lượng từ 10 kGy, 20 kGy đến 30 kGy Liều lượng xạ được ghi nhận bằng liều kế B3 trong khoảng 10-30 kGy.
Trong bước 3, các phản ứng ghép màng PVDF với AAc được tiến hành ở nhiệt độ 80 o C Cụ thể, cho vào 1g màng PVDF đã chiếu xạ trước, 0,05g muối Mohr và acid acrylic với nồng độ 10-40% (v/v) trong 100 mL dung dịch Dung dịch và màng được khuấy đều bằng máy khuấy từ trong thời gian ghép lần lượt là 1, 3 và 5 giờ.
Sau khi ghép, màng PVDF-g-AAc được rửa ba lần bằng nước cất nóng để loại bỏ homopolyme và monome dư, sau đó sấy khô ở 60 o C Việc khảo sát các nhóm AAc được ghép lên màng được thực hiện bằng phương pháp đo FTIR.
Màng sau khi ghép được xác định mức độ ghép AAc lên bề mặt màng PVDF như phương pháp được đề cập ở mục 2.3.1
2.2.1.2 Theo phương pháp ghép nối AAc đồng chiếu xạ
Hình 2.2: Sơ đồ chế tạo màng PVDF-g-AAc theo phương pháp ghép nối AAc đồng thời với chiếu xạ
Quy trình thực nghiệm được thuyết minh như sau:
Màng lọc PVDF có kích thước 3x3 cm² được xử lý bằng hỗn hợp acetone và nước với tỷ lệ 2:1 để loại bỏ tạp chất, sau đó được sấy khô ở nhiệt độ 60°C trong tủ sấy trước khi tiến hành chiếu xạ.
Bước 2: Để chuẩn bị các phản ứng ghép màng PVDF với AAc, cần 1g màng PVDF đã xử lý với acetone, sau đó thêm 0,05g muối Mohr và acid acrylic với nồng độ 10-50% (v/v) trong 100 mL dung dịch Các mẫu màng PVDF sẽ được ngâm trong acid acrylic và chiếu xạ bằng tia 𝛾 từ nguồn Co-60 tại trung tâm VINAGAMMA với các liều 10, 20, 30, 40, 50 kGy Liều xạ được ghi nhận bằng liều kế B3 trong khoảng 10-50 kGy.
Màng PVDF-g-AAc được thu hồi từ dung dịch và rửa ba lần bằng nước cất nóng để loại bỏ homopolyme và monome dư Sau đó, màng được sấy khô ở nhiệt độ 60 oC Để khảo sát các nhóm AAc đã được ghép lên màng, phương pháp đo FTIR được sử dụng.
Màng sau khi ghép được xác định mức độ ghép AAc lên bề mặt màng PVDF như phương pháp được đề cập ở mục 2.3.1
2.2.2 Nghiên cứu gắn nano bạc và nano đồng lên màng PVDF-g-AAc
Màng PVDF-g-AAc được sản xuất thông qua phương pháp chiếu xạ trước và đồng chiếu xạ, trong đó tỷ lệ ghép AAc cao nhất được lựa chọn để nghiên cứu việc gắn kết các hạt nano bạc và nano đồng lên bề mặt màng.
Hình 2.3: Quy trình ghép nano kim loại lên màng PVDF-g-AAc
Quy trình thực nghiệm được thuyết minh như sau:
Các mẫu màng PVDF-g-AAc được ngâm qua đêm trong dung dịch nano bạc và nano đồng với nồng độ 500 ppm ở nhiệt độ phòng nhằm gắn kết các hạt nano vào màng PVDF-g-AAc.
Bước 2: Sau đó màng PVDF-g-AAc/nano kim loại được rửa lại sạch bằng nước tinh khiết để loại bỏ các hạt AgNPs và CuNPs dư thừa trên màng
Bước 3: Sấy khô màng PVDF-g-AAc/nano kim loại trong tủ sấy ở nhiệt độ 60 o C
2.2.3 Nghiên cứu hoạt tính kháng khuẩn của màng PVDF-g-AAc/nano kim loại trên chủng vi khuẩn E.coli ở quy mô phòng thí nghiệm
Để chuẩn bị dụng cụ cho thí nghiệm, cần rửa sạch đĩa petri, que trang, que cấy và các dụng cụ thủy tinh khác bằng xà phòng, sau đó tráng lại bằng nước cất và sấy khô hoàn toàn ở 80 o C Tiếp theo, bọc các vật dụng bằng giấy báo và tiệt trùng chúng bằng nồi hấp áp lực ở 121 o C trong 20 phút, rồi sấy khô lại ở 80 o C Sau khi hoàn tất quá trình này, dụng cụ sẽ sẵn sàng để sử dụng trong thí nghiệm.
Hình 2.4: Quy trình chuẩn bị môi trường NB rắn
Môi trường Nutrient Broth (NB) được sử dụng để nuôi cấy vi khuẩn E.coli Môi trường
NB được phân phối vào các erlen 250 mL đã được khử trùng trong nồi hấp, sử dụng nút bông không thấm để đậy bình và bọc lại bằng giấy Bình môi trường được khử trùng ở áp suất 1 atm (121 oC) trong 20 phút, sau đó để nguội đến 45 oC - 50 oC trước khi phân phối vào các đĩa petri vô trùng Các đĩa môi trường đông được úp ngược, gói hai lớp giấy báo để đảm bảo ráo bề mặt và hạn chế tạp nhiễm, thực hiện trong điều kiện vô trùng trong tủ cấy an toàn cấp II Cuối cùng, kiểm tra độ sạch của môi trường sau 2 ngày ở nhiệt độ 35 oC đến 37 oC.
Chỉ sử dụng các đĩa petri chứa các môi trường nuôi cấy mà trong đó không phát hiện thấy tạp nhiễm
Chủng vi khuẩn và điều kiện nuôi cấy
Vi khuẩn E.coli 61813 được cung cấp bởi Viện Nghiên cứu nuôi trồng Thủy sản 2 TP
Hồ Chí Minh Huyền phù vi khuẩn có mật độ (20-30) × 10 5 CFU/mL được dùng cho các thử nghiệm đã được chuẩn bị theo các bước sau:
Vi khuẩn E coli được bảo quản ở nhiệt độ -70 °C trong dung dịch glycerol 20% Trước khi sử dụng, vi khuẩn được hoạt hóa bằng cách cấy trên môi trường Nutrient Broth (NB) và ủ ở 37 °C trong 24 giờ Sau đó, chọn một khuẩn lạc đơn và chuyển vào 50 mL môi trường NB lỏng để tăng sinh khối.
37 o C qua đêm (18-20 giờ) trên máy lắc với tốc độ 200 vòng/phút thu được dịch huyền phù tế bào vi khuẩn ban đầu
- Hút 1 mL dung dịch huyền phù ban đầu chuyển vào 50 mL môi trường NB nuôi ở
37 o C, tốc độ lắc 200 vòng/phút trong 2-3 giờ để tạo ra dịch huyền phù vi khuẩn ở giữa giai đoạn tăng trưởng
Số lượng vi khuẩn được điều chỉnh thông qua phương pháp pha loãng để đạt được dịch huyền phù có mật độ từ (20-30) × 10^5 CFU/mL, phục vụ cho nghiên cứu hoạt tính kháng khuẩn Mật độ này được xác định bằng cách nuôi cấy các dung dịch pha loãng nối tiếp 1/10 của huyền phù ban đầu.
Hình 2.5: Huyền phù vi khuẩn có mật độ (20-30) × 10 5 CFU/mL
Hình 2.6: E.coli được ria trên môi trường đĩa
2.2.3.2 Khảo sát hoạt tính kháng khuẩn
Hoạt tính kháng khuẩn của màng PVDF-g-AAc kết hợp với nano kim loại đối với vi khuẩn E coli đã được xác định thông qua phương pháp ngâm màng Quy trình thực hiện được minh họa trong hình 2.8.
Hình 2.7: Khảo sát khả năng kháng khuẩn theo phương pháp ngâm
Các phương pháp phân tích
2.3.1 Phương pháp xác định mức độ ghép AAc lên bề mặt màng PVDF
Các mẫu màng được cắt thành các mảnh có kích thước 3x3 cm², và trọng lượng của mỗi mảnh đã được ghi lại Mức độ trùng hợp ghép (GD) trên bề mặt màng được xác định theo công thức đã được đề cập trong các tài liệu nghiên cứu.
𝑚 0 × 100% (1) Trong đó m0 là trọng lượng (g) của màng trước khi trùng hợp ghép bề mặt m1 là trọng lượng (g) của màng sau khi trùng hợp ghép bề mặt
2.3.2 Phương pháp phân tích quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR)
Phương pháp phân tích quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) là công cụ hiệu quả để xác định các nhóm chức có trong mẫu, từ đó giúp hiểu rõ cấu trúc và thành phần hóa học của chúng Phương pháp này áp dụng cho cả hợp chất hữu cơ và vô cơ, sử dụng dải phổ ánh sáng hồng ngoại Trong nghiên cứu này, vật liệu màng PVDF ghép với AAc đã được phân tích tại Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh, sử dụng máy FTIR ở phòng B212 khoa Công Nghệ Hóa Học và Thực Phẩm, với phạm vi đo mẫu từ 4000 - 400 cm-1 và chế độ phân giải 4,00 cm-1 Đặc biệt, các mẫu đã được loại trừ ảnh hưởng của các chất nền như CO2 và H2O tự do trong quá trình phân tích.
2.3.3 Kính hiển vị điện tử quét (SEM) và quang phổ tán xạ năng lượng tia X- EDX
Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) là công cụ quan trọng để tạo ra hình ảnh bề mặt mẫu rắn với độ phân giải cao SEM hoạt động bằng cách sử dụng chùm tia electron quét lên bề mặt mẫu, tạo ra hình ảnh chi tiết thông qua việc ghi nhận và phân tích các bức xạ từ tương tác giữa chùm tia electron và mẫu Phương pháp này mang lại nhiều ưu điểm như chi phí hợp lý, quy trình xử lý mẫu đơn giản và khả năng phóng đại lên đến 10 nm Nhờ vào những lợi ích này, SEM trở thành công cụ hữu ích trong việc xác định hình thái bề mặt mà không cần phá hủy mẫu.
Hình 2.9: Sơ đồ kính hiển vi điện tử quét [55]
Kỹ thuật phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) là phương pháp quan trọng để phân tích thành phần hóa học của vật rắn EDX hoạt động bằng cách ghi nhận phổ tia X phát ra từ vật khi tương tác với bức xạ, chủ yếu là chùm tia electron năng lượng cao trong kính hiển vi điện tử Kỹ thuật này thường được thực hiện trong các kính hiển vi điện tử, nơi cung cấp hình ảnh cấu trúc của vật rắn.
Việc ghi lại thông tin được thực hiện thông qua chùm tia electron có năng lượng cao, tương tác với vật rắn Chùm tia này thâm nhập vào các nguyên tử, tạo ra sự tương tác với lớp điện tử bên trong, dẫn đến sự phát ra tia X với bước sóng đặc trưng phản ánh nguyên tử số (Z) của các nguyên tử Mẫu được phân tích tại phòng thí nghiệm B315, khoa Công Nghệ Hóa Học và Thực Phẩm, trường Đại học Sư Phạm.
Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh.
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của liều xạ và nồng độ AAc lên mức độ phần trăm ghép của màng PVDF-g-AAc bằng phương pháp chiếu xạ
3.1.1 Theo phương pháp chiếu xạ trước
Hình 3.1: Ảnh hưởng của liều xạ đến mức độ ghép AAc lên màng PVDF
Hình 3.2: Ảnh hưởng của nồng độ AAc của mức độ ghép AAc lên màng PVDF
Kết quả từ hình 3.1 và 3.2 cho thấy mức độ ghép AAc lên màng PVDF tăng khi liều xạ và nồng độ AAc tăng Mức độ ghép AAc có xu hướng gia tăng theo thời gian ghép, với mức độ cao nhất quan sát được sau 5 giờ tại nồng độ 30% AAc và liều xạ 20 kGy Ngoài ra, liều xạ cũng ảnh hưởng đến hiệu suất phản ứng ghép; khi liều xạ tăng, số lượng gốc tự do tạo ra cũng tăng do sự kích thích và ion hóa của electron lên màng polymer, dẫn đến hiệu suất ghép cao hơn.
Mức độ ghép của polymer tăng theo liều xạ, cụ thể là từ 10, 20 đến 30 kGy, như thể hiện trong hình 3.1 Tuy nhiên, ở liều xạ cao nhất 30 kGy, mức độ ghép lại thấp hơn so với 20 kGy Nguyên nhân có thể là do liều xạ cao hơn dẫn đến năng lượng ion hóa lớn, gây phân hủy các gốc tự do và kéo dài thời gian chiếu xạ, làm giảm khả năng ghép của các nhóm AAc trên màng PVDF Kết quả này tương đồng với nghiên cứu của Clochard và cộng sự, cho thấy mức độ ghép tăng mạnh trong giờ đầu tiên, sau đó đạt mức bão hòa, và năng suất ghép ở liều 100 kGy giảm so với liều 30 kGy.
Sự kết hợp giữa các nhóm AAc và PVDF tạo ra các liên kết ngang, và khi liều xạ tăng, số lượng liên kết ngang cũng gia tăng Điều này dẫn đến việc monome khó xâm nhập hơn, làm giảm năng suất ghép khi liều xạ tăng.
Màng PVDF-g-PAAc với mức độ ghép AAc 1,5%, được chiếu xạ trước với liều 20 kGy và nồng độ 30% AAc trong 5 giờ là lựa chọn tối ưu Do đó, các khảo sát tiếp theo về biến tính màng PVDF sẽ được thực hiện dưới các điều kiện này.
3.1.2 Theo phương pháp đồng chiếu xạ
Hình 3.3: Ảnh hưởng của liều xạ đến mức độ ghép AAc lên màng PVDF ở nồng độ
Hình 3.4: Ảnh hưởng của nồng độ AAc của mức độ ghép AAc lên màng PVDF
Kết quả thu được từ phương pháp ghép cho thấy mức độ ghép tăng đáng kể so với phương pháp chiếu xạ trước đó Khi nồng độ monome tăng, mức độ ghép của màng PVDF-g-AAc cũng tăng theo Sự gia tăng nồng độ monome tạo ra nhiều cơ hội cho gốc tự do trên bề mặt màng tiếp xúc và phản ứng với monome, dẫn đến mức độ ghép cao hơn.
Khi nghiên cứu tác động của liều xạ cao từ 20 kGy trở lên và nồng độ AAc từ 30-50%, các mẫu cho thấy tình trạng gel ở màng, dẫn đến sự suy giảm các tính chất cơ lý và khả năng lọc Betz và cộng sự đã xác định liều xạ mà màng trở nên không hòa tan, gọi là liều gel, có thể ước tính qua thí nghiệm sol-gel trong dung môi phù hợp Đặc biệt, đối với màng PVDF, liều gel được khảo sát bởi Betz và đồng nghiệp.
Màng PVDF-g-AAc được ghép ở liều 20-30 kGy phù hợp với nghiên cứu, tuy nhiên, khi liều chiếu xạ gamma tăng cao hơn liều gel, chỉ một phần gốc tự do có thể tiếp cận monome để bắt đầu và lan truyền phản ứng ghép Sự gia tăng liều hấp thụ dẫn đến tăng số lượng liên kết ngang, làm cho việc xâm nhập của các monome trở nên khó khăn hơn.
Màng được khảo sát ở liều 10 kGy với nồng độ AAc dưới 10% nhằm tránh tình trạng gel bám trên bề mặt, giúp việc rửa màng loại bỏ homopolyme và monome dư trở nên dễ dàng hơn Kết quả cho thấy, với liều xạ 10 kGy và nồng độ AAc 10%, mức độ ghép AAc đạt 22%, tạo điều kiện thuận lợi cho việc biến tính màng PVDF trong các nghiên cứu tiếp theo.
3.1.3 Phân tích kết quả đo FTIR
Hình 3.5: Phổ FTIR của các màng: (a) PVDF ban đầu; (b) PVDF-g-AAc (1,5%) và (c)
Phổ hồng ngoại của màng PVDF ban đầu và màng sau khi biến tính bề mặt với AAc cho thấy sự khác biệt đáng kể Các đỉnh đặc trưng của màng PVDF ban đầu xuất hiện tại số sóng 3010,34 cm-1 và 1400,07 cm-1, tương ứng với dao động của nhóm CH2, trong khi đỉnh tại 1172,51 cm-1 và 879,38 cm-1 tương ứng với dao động của nhóm C-C và C-F Đối với màng PVDF-g-AAc, các đỉnh mới xuất hiện tại số sóng 1720,19 cm-1 và 1729,83 cm-1, cho thấy sự biến tính bề mặt thành công.
Phương pháp đồng chiếu xạ liên quan đến dao động kéo dãn của nhóm C=O đã được nghiên cứu để chế tạo màng PVDF-g-AAc, với hai phương pháp chính: chiếu xạ bằng chùm tia điện tử của Liu và cộng sự, và sử dụng chất khơi mào AIBN của Li và cộng sự Cường độ của các dải phụ thuộc vào mức độ ghép AAc, cho thấy rằng các nhóm chức C=O từ AAc đã được ghép thành công trên bề mặt màng PVDF.
3.1.4 Kết quả phân tích hình thái cấu trúc bề mặt-SEM
Hình ảnh bề mặt của các màng được quan sát qua phương pháp SEM với thanh tỷ lệ 50 μm, cho thấy khi ghép AAc theo phương pháp chiếu xạ trước (1,5%), các hạt trắng đã xuất hiện nhưng vẫn còn khá riêng lẻ do mức độ ghép AAc trên bề mặt màng còn thấp AAc chứa nhóm (-COO-) mang điện tích âm, tương tác mạnh hơn với điện tử so với PVDF chủ yếu là carbon không mang điện Khi quan sát bằng SEM, AAc hấp thụ năng lượng mạnh hơn và phát xạ nhiều photon hơn, do đó hiện lên sáng hơn trên ảnh SEM so với màu xám của PVDF Tuy nhiên, sự phân bố của các hạt AAc trên bề mặt chưa đồng đều và lượng AAc ghép lên màng PVDF vẫn chưa đủ.
Khi quan sát màng ghép AAc qua phương pháp đồng chiếu xạ (22%), sự khác biệt rõ rệt so với màng ban đầu và màng PVDF-g-AAc (1,5%) được nhận thấy, với các hạt trắng AAc đã được bao phủ hoàn toàn và phân tán đồng đều trên toàn bộ bề mặt màng.
AAc được sử dụng để bao phủ toàn bộ bề mặt màng, giúp lấp đầy các lỗ rỗng và làm giảm kích thước lỗ rỗng cũng như độ xốp của màng Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu đã được công bố của Hasegawa và cộng sự [53].
Một đặc điểm quan trọng là quá trình trùng hợp ghép chỉ diễn ra trên bề mặt màng, không làm thay đổi hình thái bên trong Mặc dù mức độ ghép AAc cao được hình thành trên bề mặt màng PVDF, cấu trúc của màng vẫn giữ nguyên do không có sự trùng hợp bên trong Điều này đã được xác nhận trong nghiên cứu của Iwata và cộng sự.
Kết quả nghiên cứu gắn nano bạc và nano đồng lên màng PVDF-g-AAc
3.2.1 Phân tích kết quả đo FTIR
Phổ hồng ngoại của màng PVDF-g-AAc sau khi được ghép với nano bạc và nano đồng thông qua hai phương pháp chiếu xạ trước và đồng chiếu xạ được trình bày trong hình 3.7 và hình 3.8.
Hình 3.6: Ảnh chụp SEM của các màng không chứa nano kim loại
Hình 3.7: Phổ FTIR của màng (a) PVDF ban đầu (b1) PVDF-g-AAc (c1) PVDF-g-
AAc/AgNPs (d1) PVDF-g-AAc/CuNPs theo phương pháp chiếu xạ trước (1,5%
Hình 3.8: Phổ FTIR của màng (a) PVDF ban đầu (b2) PVDF-g-AAc (c2) PVDF- g-AAc/AgNPs (d2) PVDF-g- AAc/CuNPs theo phương pháp đồng chiếu xạ (22% GD)
Kết quả phân tích màng PVDF-g-AAc/AgNPs và PVDF-g-AAc/CuNPs cho thấy các đỉnh hấp thụ đặc trưng của màng PVDF, nhưng có sự thay đổi về cường độ và sự dịch chuyển số sóng tại một số đỉnh Cụ thể, cường độ hấp thụ đặc trưng của nhóm C=O ở các màng sau khi ghép nano bạc và nano đồng đã dịch chuyển về vùng thấp hơn so với màng chỉ ghép với AAc, với các giá trị lần lượt là 1641,13 cm-1 và 1640,16 cm-1 cho ghép nano bạc và nano đồng.
Cường độ hấp thụ của nhóm chức và sự dịch chuyển bước sóng trong ghép nano đồng được giải thích bởi sự hình thành liên kết giữa hạt nano bạc, hạt nano đồng và nguyên tử oxi trên mạch AAc Sự dịch chuyển của dải ~1720 cm -1 sang vùng sóng thấp hơn chỉ ra rằng mật độ điện tử của nhóm C=O giảm, do cặp điện tử tự do trên nguyên tử oxi chưa tham gia liên kết bị hút mạnh bởi các ion Ag + và Cu 2+ trong dung dịch nano.
Nghiên cứu của Alnairat và cộng sự cho thấy AgNPs được tổng hợp từ chiết suất của thực vật Paronychia argentea có khả năng kháng khuẩn cho màng PVDF Kết quả cho thấy sự liên kết giữa AgNPs và CuNPs với nhóm C=O của AAc trên bề mặt màng PVDF, giúp cố định các hạt nano kim loại trên màng.
3.2.2 Kết quả phân tích hình thái cấu trúc bề mặt-SEM
Hình 3.9: Ảnh chụp SEM của các màng PVDF ban đầu và màng có chứa nano bạc và nano đồng
Hình 3.9 cho thấy kết quả đo SEM với thanh tỷ lệ 30 μm, minh họa sự khác biệt rõ rệt giữa hai phương pháp khi gắn với AgNPs và CuNPs Sự gia tăng hàm lượng ghép AAc dẫn đến sự gia tăng số lượng AgNPs và CuNPs gắn lên màng.
Khi biến tính màng PVDF-g-AAc ở mức độ ghép 1,5%, số lượng hạt nano gắn trên bề mặt màng giảm, dẫn đến phạm vi bao phủ bề mặt cũng hạn chế Mặc dù vậy, một số hạt AgNPs và CuNPs nhỏ vẫn có thể bám trên bề mặt, lắng đọng và lấp đầy các lỗ rỗng của màng, như đã được chỉ ra trong nghiên cứu của Li và cộng sự [51].
PVDF-g-AAc (1,5%)/AgNPs PVDF-g-AAc (1,5%)/CuNPs
PVDF-g-AAc (22%)/AgNPs PVDF-g-AAc (22%)/CuNPs PVDF ban đầu Phương pháp chiếu xạ trước
Phương pháp đồng chiếu xạ
42 sự khác biệt về cấu trúc của màng so với trường hợp chỉ ghép màng PVDF-g-AAc như được thể hiện trên hình 3.6
Khi biến tính màng PVDF-g-AAc với mức độ ghép cao hơn 22%, sự khác biệt về độ sáng tối giữa các vùng trên màng so với màng ban đầu trở nên rõ rệt Điều này là do sự gắn kết của các nano kim loại lên bề mặt màng, đặc biệt là trên màng PVDF-g-AAc/AgNPs Tăng phần trăm ghép lên 22% dẫn đến hàm lượng bạc và đồng gắn lên màng tăng theo Khi hàm lượng nano kim loại trên bề mặt màng tăng, các hạt nano có xu hướng kết hợp lại, tạo ra cấu trúc rỗng phức tạp và mở rộng chuỗi polymer Các nhóm (-COO-) của AAc trên bề mặt hạt nano bạc tạo ra lực hút giữa các hạt nano thông qua tương tác ion Khi khoảng cách giữa các hạt nano giảm, lực Van der Waals giữa các electron trên bề mặt cũng hình thành, thúc đẩy sự kết hợp giữa các hạt nano Nghiên cứu của Li và cộng sự cũng đã chỉ ra sự khác biệt giữa màng PVDF ban đầu, màng sau khi ghép AAc và màng sau khi gắn nano bạc.
3.2.3 Kết quả phân tích thành phần hóa học-EDX
Phổ EDX trong hình 3.10 cho thấy các đỉnh của các nguyên tố chính là C, O và F với tỷ lệ trung bình tương ứng khoảng 42,1%; 4,8% và 51,4% khối lượng mẫu vật liệu Nguyên tố C và F là thành phần chủ yếu trong màng PVDF, nơi các nguyên tử C kết nối với F tạo liên kết C-F, mang lại tính chất đặc trưng cho màng Đặc biệt, so sánh giữa hai phương pháp ghép AAc cho thấy khi sử dụng phương pháp chiếu xa trước, hàm lượng O là 1,5% với AgNPs và CuNPs lần lượt là 2,55% và 1,66%, trong khi phương pháp đồng chiếu xạ cho hàm lượng O tăng lên 22% với AgNPs và CuNPs là 7,95% và 6,86% Điều này cho thấy sự gia tăng hàm lượng O khi mức độ ghép AAc tăng do sự xuất hiện của nhóm C=O trong AAc Kết quả thu được từ hình 3.10 (a) và (c) tương đồng với các ảnh SEM, cho thấy hàm lượng AAc thấp (1,5%) dẫn đến sự liên kết ít giữa AAc với AgNPs và CuNPs, làm giảm sự tích tụ của bạc và đồng, do đó không thể hiện được phần trăm Ag và Cu trong mẫu khi đo EDX Ngược lại, ở hình 3.10 (b) và (d), phổ EDX phát hiện thành phần của hai nguyên tố Ag và Cu trong màng PVDF-g-AAc theo phương pháp đồng chiếu xạ, với hàm lượng lần lượt là 4,21% và 0,58% khối lượng.
Mẫu vật liệu tổng hợp với 43% AAc cho thấy sự liên kết mạnh mẽ hơn với AgNPs và CuNPs nhờ vào lượng AAc cao hơn 22%, giúp cố định và giữ lại Ag và Cu trên màng, được xác nhận qua phân tích EDX.
Từ các kết quả và đánh giá trên, có thể kết luận rằng:
PVDF-g-AAc (1,5%)/CuNPs PVDF-g-AAc (22%)/AgNPs
Hình 3.10: Phổ EDX của các màng chứa nano bạc và nano đồng
Trong các điều kiện chiếu xạ, AAc được ghép lên bề mặt màng với lượng bám khác nhau Quá trình chiếu xạ trước và đồng chiếu xạ với AAc đã tác động đến sự hình thành và mức độ ghép AAc trên bề mặt màng, từ đó ảnh hưởng đáng kể đến việc gắn kết các AgNPs và CuNPs lên bề mặt này.
Kết quả nghiên cứu hoạt tính kháng khuẩn của màng PVDF-g-AAc/nano kim loại trên chủng vi khuẩn E.coli ở quy mô phòng thí nghiệm
Trong nghiên cứu này, màng PVDF-g-AAc được chế tạo bằng phương pháp chiếu xạ trước và đồng chiếu xạ với mức độ ghép AAc lần lượt là 1,5% và 22% Màng này được gắn nano bạc và nano đồng để khảo sát khả năng kháng khuẩn đối với vi khuẩn E.coli, như thể hiện trong hình 3.11.
❖ PVDF-g-AAc (1,5%), (3) PVDF-g-AAc (1,5%)/AgNPs, (4) PVDF-g-AAc (1,5%)/CuNPs (Phương pháp chiếu xạ trước)
❖ (5) PVDF-g-AAc (22%), (6) PVDF-g-AAc (22%)/AgNPs và (7) PVDF-g-AAc (22%)/CuNPs (Phương pháp đồng chiếu xạ)
Hình 3.11: Các mẫu vật liệu phân tích và khảo sát hoạt tính kháng khuẩn
Bảng 3.1: Hiệu suất diệt khuẩn của các màng ở hai phương pháp ghép và gắn các hạt AgNPs, CuNPs
Mẫu khảo sát Không chứa nano AgNPs CuNPs
Hình 3.13: Hình chụp đĩa vi khuẩn ở các màng PVDF-g-AAc (2 phương pháp) và gắn các hạt nano kim loại
Kết quả nghiên cứu cho thấy màng PVDF ban đầu không có hoạt tính kháng khuẩn Tuy nhiên, hoạt tính kháng khuẩn của màng này tăng lên khi được ghép thêm AAc và nano kim loại.
Hình 3.12: Đồ thị khảo sát ảnh hưởng của nano kim loại đối với màng PVDF- g-AAc (2 phương pháp ghép)
Màng PVDF-g-AAc cho thấy hoạt tính kháng khuẩn tăng lên khi tỷ lệ ghép AAc tăng Hoạt tính này có thể do AAc ghép lên màng dưới dạng polyacrylic acid (PAA), có khả năng tiêu diệt vi khuẩn bằng cách hòa tan các chất dinh dưỡng cần thiết cho sự phát triển của chúng Nhóm carboxyl trong PAA có tính axit, giúp giảm pH và phá vỡ màng tế bào, từ đó ức chế sự phát triển của vi khuẩn Khi tăng mức độ ghép AAc từ 1,5% lên 22%, hàm lượng PAA tăng, dẫn đến khả năng diệt khuẩn cải thiện từ 15,95% lên 16,40%.
Màng PVDF-g-AAc sau khi gắn hạt nano kim loại cho thấy hoạt tính kháng khuẩn đáng kể Cụ thể, với phương pháp đồng chiếu xạ, màng PVDF-g-AAc/AgNPs (22% AAc) đạt hiệu suất kháng khuẩn cao nhất là 98,99%, vượt trội hơn so với màng PVDF-g-AAc/CuNPs chỉ đạt 38,53% Trong khi đó, với phương pháp chiếu xạ trước, màng PVDF-g-AAc/AgNPs (1,5% AAc) có hiệu suất kháng khuẩn đạt 89,49%, cũng cao hơn so với màng PVDF-g-AAc/CuNPs chỉ đạt 27,62% Kết quả cho thấy hoạt tính kháng khuẩn của màng gắn nano bạc cao hơn so với nano đồng, điều này cũng được khẳng định trong nghiên cứu của Rather và cộng sự.
Nghiên cứu cho thấy các hạt nano bạc (AgNPs) có khả năng kháng khuẩn mạnh mẽ hơn so với hạt nano đồng (CuNPs), với vùng kháng khuẩn lần lượt là 1,82 cm và 1,10 cm khi thử nghiệm trên khuẩn E.coli AgNPs và CuNPs đạt tỷ lệ diệt khuẩn 95% và 75% khi gắn vào ống nano carbon Hiệu suất kháng khuẩn tăng theo mức độ ghép AAc, với việc gia tăng nồng độ AAc dẫn đến khả năng kháng khuẩn cao hơn và tăng cường cố định các nano kim loại trên màng Kết quả này phù hợp với nghiên cứu của Li và cộng sự, cho thấy màng PVDF-g-AAc/AgNPs có hoạt tính kháng khuẩn đáng kể, với hiệu suất kháng khuẩn tăng theo nồng độ nano bạc.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Kết luận đề tài “Nghiên cứu chế tạo màng PVDF-g-AAc bằng phương pháp chiếu xạ và khảo sát hoạt tính kháng khuẩn của màng PVDF-g-AAc/nano kim loại” đã đạt được những kết quả đáng chú ý, bao gồm việc phát triển thành công màng PVDF-g-AAc và xác định khả năng kháng khuẩn của nó khi kết hợp với nano kim loại.
Màng PVDF-g-AAc được chế tạo qua hai phương pháp: chiếu xạ trước và đồng chiếu xạ Phương pháp chiếu xạ trước sử dụng tia gamma từ nguồn Co-60, với liều xạ thích hợp là 20 kGy, cho phép nồng độ AAc ghép trên màng đạt 30% sau 5 giờ, kết quả là mức độ ghép AAc 1,5% Trong khi đó, phương pháp đồng chiếu xạ xác định liều xạ là 10 kGy và nồng độ AAc ghép là 10%, đạt mức độ ghép AAc lên đến 22%.
- Màng PVDF-g-AAc đã gắn hạt AgNPs và hạt CuNPs với hàm lượng được xác đình lần lượt 4,21% và 0,58% khối lượng lên bề mặt màng
Màng PVDF-g-AAc được tổng hợp bằng phương pháp đồng chiếu xạ và gắn hạt nano bạc và nano đồng, mang lại hiệu quả kháng khuẩn vượt trội so với màng tổng hợp bằng phương pháp chiếu xạ trước Đặc biệt, màng PVDF-g-AAc/AgNPs đạt hiệu quả kháng khuẩn cao nhất lên đến 98,99%, cho thấy tiềm năng ứng dụng lớn trong các thiết bị lọc nước kháng khuẩn.
Màng PVDF-g-AAc được gắn nano kim loại cho khả năng kháng khuẩn vượt trội, nhờ vào độ ổn định hóa học và hiệu quả kháng khuẩn mạnh mẽ Điều này giúp nâng cao khả năng chống tắc nghẽn sinh học của màng lọc do vi sinh vật gây ra.
Để phát triển đề tài dựa trên các kết quả đã đạt được từ khóa luận, cần kiến nghị các hướng nghiên cứu tiếp theo như sau:
- Nghiên cứu khảo sát hàm lượng các peroxit được tạo thành trên màng khi thực hiện ghép theo phương pháp chiếu xạ trước theo từng liều xạ
- Nghiên cứu khảo sát hoạt tính kháng khuẩn của màng PVDF-g-AAc theo từng nồng độ nano bạc và nano đồng
- Thực nghiệm khảo sát hiệu quả kháng khuẩn mở rộng trên đa dạng các chủng vi khuẩn.