Đang tải... (xem toàn văn)
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 ( Luận án tiến sĩ)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 ( Luận án tiến sĩ)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 ( Luận án tiến sĩ)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 ( Luận án tiến sĩ)
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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT MÔI TRƢỜNG Hà Nội - 2018 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: 52 03 20 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT MÔI TRƢỜNG NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS Dƣơng Thị Thủy TS Hà Phƣơng Thƣ Hà Nội – 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam Ďoan Ďây cơng trình nghiên cứu riêng không trùng lặp với công trình khoa học khác Các số liệu kết nghiên cứu nêu luận án trung thực, Ďƣợc Ďồng tác giả cho phép sử dụng chƣa Ďƣợc sử dụng Ďể bảo vệ học vị nào, chƣa Ďƣợc công bố cơng trình khác Hà Nội, tháng năm 2018 Tác giả luận án Trần Thị Thu Hƣơng i MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT iv DANH MỤC HÌNH vi MỞ ĐẦU .1 CHƢƠNG TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU .5 1.1 Tổng quan vật liệu nano 1.1.1 Khái niệm chung vật liệu nano 1.1.2 Một số tính chất chung vật liệu nano 1.1.3 Tổng quan vật liệu nano kim loại bạc đồng 1.1.4 Tổng quan vật liệu nano sắt từ 17 1.2 Tổng quan vi khuẩn lam tƣợng phú dƣỡng 20 1.2.1 Vi khuẩn lam .20 1.2.2 Hiện tượng phú dưỡng .22 1.3 Các biện pháp xử lý tảo gây nở hoa tảo Ďộc giới Việt Nam 28 1.3.1 Các biện pháp xử lý học, vật lý 29 1.3.2 Các biện pháp xử lý hóa học 30 1.3.3 Các phương pháp sinh học, sinh thái .34 1.3.4 Xử lý tảo vật liệu nano 37 CHƢƠNG ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 47 2.1 Đối tƣợng nghiên cứu 47 2.2 Hóa chất thiết bị sử dụng 48 2.2.1 Hóa chất 48 2.2.2 Thiết bị 49 2.3 Các phƣơng pháp tổng hợp vật liệu .49 2.3.1 Tổng hợp vật liệu nano bạc phương pháp khử hóa học 49 2.3.2 Tổng hợp vật liệu nano đồng hương pháp khử hóa học 50 2.3.3 Tổng hợp vật liệu nano sắt từ phương pháp đồng kết tủa 51 2.4 Các phƣơng pháp xác Ďịnh Ďặc trƣng cấu trúc vật liệu .53 2.4.1 Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 53 2.4.2 Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) 53 ii 2.4.3 Phương pháp phổ hấp thụ hồng ngoại IR 53 2.4.4 Phương pháp phổ nhiễu xạ tia X 54 2.4.5 Phương pháp phổ hấp thụ tử ngoại khả kiến (UV-VIS) 54 2.4.6 Phương pháp phổ tán sắc lượng tia X (EDX) 55 2.5 Các phƣơng pháp bố trí thí nghiệm .55 2.5.1 Thí nghiệm lựa chọn vật liệu nano 55 2.5.2 Thí nghiệm nghiên cứu độc tính vật liệu nano 56 2.5.3 Thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng kích thước vật liệu nano 56 2.5.4 Thí nghiệm nghiên cứu đánh giá tính an tồn vật liệu 57 2.5.5 Thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng vật liệu nano mẫu nước thực tế (mẫu nước hồ Tiền) .58 2.6 Các phƣơng pháp xác Ďịnh sinh trƣởng tảo 59 2.6.1 Phương pháp xác định mật độ quang OD 59 2.6.2 Phương pháp xác định mật độ tế bào .59 2.6.3 Phương pháp xác định hàm lượng Chla [154] 59 2.7 Các phƣơng pháp phân tích chất lƣợng mơi trƣờng nƣớc 60 2.7.1 Phương pháp phân tích tiêu thủy lý, thủy hóa .60 2.7.2 Phương pháp phân tích xác định hàm lượng NH4+(mg/L) .60 2.7.3 Phương pháp phân tích xác định hàm lượng PO43- (mg/L) 60 2.8 Các phƣơng pháp quan sát hình thái tế bào 61 2.8.1 Phương pháp quan sát bề mặt tế bào .61 2.8.2 Phương pháp quan sát cắt lát mỏng mẫu tế bào 61 2.9 Phƣơng pháp thống kê xử lý số liệu .61 CHƢƠNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 62 3.1 Tổng hợp vật liệu nano 62 3.1.1 Khảo sát số yếu tố ảnh hưởng tới đặc trưng vật liệu nano bạc tổng hợp phương pháp khử hóa học 62 3.1.2 Khảo sát số yếu tố ảnh hưởng tới đặc trưng vật liệu nano đồng phương pháp khử hóa học 70 3.1.3 Khảo sát số yếu tố ảnh hưởng đến đặc trưng vật liệu nano sắt từ tổng hợp phương pháp đồng kết tủa 77 iii 3.2 Đánh giá khả ức chế sinh trƣởng diệt tảo loại vật liệu nano Ďã tổng hợp 81 3.2.1 Nghiên cứu thăm dò khả diệt VKL ba loại vật liệu nano 81 3.2.2 Đánh giá ảnh hưởng vật liệu nano bạc đến sinh trưởng phát triển VKL Microcystis aeruginosa KG tảo lục Chlorella vulgaris 83 3.2.3 Đánh giá ảnh hưởng vật liệu nano đồng đến sinh trưởng phát triển VKL Microcystis aeruginosa KG tảo lục Chlorella vulgaris 94 3.3 Kết Ďánh giá tính an tồn vật liệu nano (ảnh hƣởng vật liệu nano Ďồng Ďến số sinh vật khác) 108 3.3.1 Ảnh hưởng vật liệu nano đồng đến giáp xác Daphnia magna 109 3.3.2 Ảnh hưởng vật liệu nano đồng đến bèo Lemna sp 112 3.4 Kết thực nghiệm với mẫu nƣớc hồ Tiền (mẫu nƣớc hồ thực tế bùng phát VKL) 115 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .121 TÀI LIỆU THAM KHẢO .125 iv DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Tiếng Việt VKL Vi khuẩn lam QCVN Quy chuẩn Việt Nam BTNMT Bộ Tài nguyên Môi trƣờng CHHBM Chất hoạt hóa bề mặt VSV Vi sinh vật Tiếng Anh HLKH&CN Hàn lâm Khoa học Công nghệ TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam ĐHKHTN Đại học Khoa học Tự nhiên KH-CN Khoa học Cơng nghệ TPHCM Thành phố Hồ Chí Minh TVN Thực vật TVTS Thực vật thủy sinh Chla Diệp lục KG Kẻ Gỗ cs cộng SEM Kính hiển vi Ďiện tử quét TEM Kính hiển vi Ďiện tử truyền qua EDX Phổ tán sắc lƣợng tia X UV-VIS Quang phổ tử ngoại khả kiến Ultraviolet-Visible XRD Nhiễu xạ tia X X-Ray Diffraction IR Phổ hồng ngoại Infrared Spectroscopy ROS Các oxy hoạt Ďộng Reactive Oxygen Species Fcc Cấu trúc lập phƣơng tâm mặt Face centered cubic Chlorophyll a Scanning Electron Microscope Transmission electron microscopy Energy-dispersive X-ray spectroscopy PEG Polyetylen glycol PVP Polyvinyl pyrolidon v DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Số nguyên tử lƣợng bề mặt hạt nano hình cầu [1] Bảng 1.2 Những Ďiều kiện phản ứng Ďể Ďiều chế hạt nano Ďồng [24] 14 Bảng 1.3 Một số tiền chất Ďể tổng hợp hạt nano Ďồng phƣơng pháp khử hóa học [24] .15 Bảng 1.4 Giá trị biên Ďể phân loại dinh dƣỡng thủy vực theo OECD [53] .23 Bảng 3.1 Kết lựa chọn nồng Ďộ vật liệu nano Ďã tổng hợp có khả diệt VKL M aeruginosa KG 82 Bảng 3.2 Độc tính vật liệu nano bạc Ďồng Ďến sinh trƣởng VKL M aeruginosa KG tảo lục C vulgaris (EC50) 104 Bảng 3.3 Ƣớc tính giá trị LC50 dung dịch Nano Ďồng thời Ďiểm 24 48h 111 Bảng 3.4 Biến Ďộng giá trị thông số thuỷ lý, thuỷ hố mẫu thí nghiệm (bổ sung vật liệu nano Ďồng ppm) mẫu Ďối chứng (nƣớc hồ Tiền không bổ sung dung dịch vật liệu nano Ďồng) 118 vi DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Hình ảnh thể kích thƣớc nano (màu Ďỏ) so với số Ďối tƣợng vật lý sinh học theo thang kích thƣớc (http://nanoscience.massey.ac.nz/) Hình 1.2 Ảnh hƣởng số lƣợng nguyên tử Ďến diện tích bề mặt riêng Hình 1.3 Cơ chế kháng khuẩn vật liệu nano bạc (nguồn: http://congnghenano.infonano-bac-dong-diet-vi-khuan-nam) Hình 1.4 Cơ chế kháng khuẩn vật liệu nano Ďồng (nguồn: http://wasi.org.vn) Hình 1.5 Sự dao Ďộng plasmon hạt hình cầu dƣới tác Ďộng Ďiện trƣờng ánh sáng [10] .10 Hình 1.6 Cơ chế ổn Ďịnh hạt nano bạc PVP [19] 12 Hình 1.5 Đƣờng cong từ hoá vật liệu từ phụ thuộc vào kích thƣớc [37] 18 Hình 1.6 Hiện tƣợng phú dƣỡng môi trƣờng nƣớc (nguồn: http://upload.wikimedia.org) .25 Hình 2.1 Hình ảnh Vi khuẩn lam M aeruginosa KG tảo lục C vulgaris sử dụng thí nghiệm 47 Hình 2.2 Hình ảnh bèo Lemna sp giáp xác Daphnia magna sử dụng thí nghiệm 48 Hình 2.3 Hình ảnh nƣớc hồ Tiền khuôn viên Đại học Bách Khoa Hà Nội 48 Hình 2.4 Quy trình Ďiều chế dung dịch nano Ag sử dụng NaBH4 làm chất khử .50 Hình 2.5 Quy trình tổng quát tổng hợp vật liệu nano Ďồng phƣơng pháp khử hóa học 51 Hình 2.6 Quy trình tổng hợp hạt nano từ Fe3O4 phƣơng pháp Ďồng kết tủa 52 Hình 2.7 Các tia X nhiễu xạ bề mặt tinh thể chất rắn (nguồn: http://ffden2.phys.uaf.edu 54 Hình 2.8 Nguyên tắc tán xạ tia X dùng phổ EDX 55 Hình 3.1 Phổ UV-VIS mẫu nano Ag phụ thuộc tỷ lệ nồng Ďộ NaBH4/Ag+ 63 Hình 3.2 Ảnh TEM nano Ag phụ thuộc vào tỷ lệ nồng Ďộ BH4-/Ag+ 64 Hình 3.3 Lực Ďẩy hạt nano Ag hấp phụ BH4- (M0-các hạt nano Ag) [158] 65 Hình 3.4 Phổ UV-VIS nano bạc phụ thuộc vào nồng Ďộ chitosan 66 Hình 3.5 Ảnh TEM nano bạc phụ thuộc vào nồng Ďộ chitosan 66 Hình 3.6 Cấu tạo phân tử chitosan (https://vi.wikipedia.org/wiki/Chitosan) 67 vii Hình 3.7 Phổ UV-VIS nano bạc phụ thuộc vào nồng Ďộ axit citric 68 Hình 3.8 Ảnh TEM nano Ag phụ thuộc tỷ lệ nồng Ďộ [Citric]/[Ag+] .69 Hình 3.9 Ảnh HR-TEM vật liệu nano Ag khảo sát tỷ lệ tối ƣu .70 Hình 3.10 Phổ XRD vật liệu nano Cu khảo sát theo tỉ lệ nồng Ďộ NaBH4/Cu2+ 71 Hình 3.11 Ảnh SEM mẫu nano Ďồng theo tỷ lệ NaBH4/Cu2+ .72 Hình 3.12 Ảnh TEM mẫu nano Ďồng theo tỷ lệ NaBH4/Cu2+ .73 Hình 3.13 Phổ XRD vật liệu nano Cu khảo sát theo nồng Ďộ Cu0 74 Hình 3.14 Ảnh SEM vật liệu nano Cu khảo sát theo nồng Ďộ Cu0 75 Hình 3.15 Ảnh TEM vật liệu nano Cu khảo sát theo nồng Ďộ Cu0: 75 Hình 3.16 Đặc trƣng chi tiết mẫu vật liệu nano Ďồng N1 76 Hình 3.17 Ảnh SEM cấu trúc vật liệu nano sắt từ theo tỷ lệ CMC/Fe3O4 78 Hình 3.18 Ảnh TEM cấu trúc vật liệu nano sắt từ theo tỷ lệ CMC/Fe3O4 78 Hình 3.19 Phổ hồng ngoại mẫu vật liệu Fe3O4 (a), CMC (b), FC21 (c) tổng hợp phổ ba mẫu (d) .79 Hình 3.20 Kết Ďo từ Ďộ vật liệu FC21 80 82 Hình 3.21 Ảnh hƣởng vật liệu nano Ďến sinh trƣởng chủng VKL M aeruginosa KG sau 7-10 ngày 82 Hình 3.22 Ảnh hƣởng vật liệu nano bạc Ďến sinh trƣởng VKL M aeruginosa KG sau 10 ngày tính theo mật Ďộ quang (a) hàm lƣợng chla (b)ở nồng Ďộ 0; 0,001; 0,005; 0,01; 0,05; 0,1 ppm 84 Hình 3.23 Ảnh hƣởng vật liệu nano bạc tính theo mật Ďộ tế bào (a) hiệu suất ức chế sinh trƣởng VKL M aeruginosa KG (b) nồng Ďộ 0; 0,001; 0,005; 0,01; 0,05; 0,1 ppm sau 10 ngày 85 Hình 3.24 Kết chụp SEM hình thái tế bào VKL M aeruginosa KG: tế bào VKL không tiếp xúc với vật liệu nano bạc (a); tế bào tiếp xúc với nano bạc (1 ppm) sau 48h (b) 86 Hình 3.25 Phổ EDX thành phần nguyên tố xuất bề mặt tế bào VKL M aeruginosa KG sau 48h tiếp xúc với vật liệu nano bạc nồng Ďộ 1ppm 87 ... vật liệu nano bạc, đồng, sắt để xử lý vi khuẩn lam độc thuỷ vực nước ngọt Ďã Ďƣợc lựa chọn thực Mục mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu, chế tạo xác Ďịnh tính chất, Ďặc trƣng 03 vật liệu nano (bạc,. .. DỤC VÀ ĐÀO TẠO VI N HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VI T NAM HỌC VI N 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. .. nhiều quan tâm, nghiên cứu thời gian gần Ďây Sử dụng vật liệu nano xử lý vi tảo thể nhiều ƣu Ďiểm lĩnh vực xử lý ô nhiễm môi trƣờng ô nhiễm phú dƣỡng thủy vực Kết nghiên cứu luận án sở khoa học