Nano bạc được phủ lên hạt than hoạt tính trong cột để khử trùng nước ô nhiễm vi sinh
Công trình hiện tại nhấn mạnh hiệu quả cao của các hạt nano bạc (Ag-NP) được phủ lên các hạt than hoạt tính (AC) trong các hoạt động kháng khuẩn để lọc nước. Hạt nano bạc (Ag-NPs) được điều chế bằng phương pháp khử polysaccharid. Bạc nitrat được lấy làm tiền chất kim loại và glucose làm chất khử. Sự hình thành của các hạt nano bạc được theo dõi bằng quang phổ UV-Vis. Các hạt than hoạt tính (AC) được phủ các hạt nano bạc bằng cách ngâm tẩm AC trong các dung dịch siêu bão hòa với các nồng độ AgNP khác nhau. Ag-NPs/AC thu được được đặc trưng bởi nhiễu xạ tia X (XRD) và kính hiển vi điện tử quét (SEM). Tính nhạy cảm với vi khuẩn của Ag-NPs/AC tổng hợp đã được nghiên cứu bằng cách sử dụng vùng ức chế, ngâm tẩm và kỹ thuật cột chống lại E. coli. Kết quả phản ánh hiệu quả cao của các Ag-NP đã chuẩn bị được phủ lên các hạt AC để khử trùng nước khỏi vi sinh vật trong một khoảng thời gian ngắn (tối đa 5 phút) ngay cả khi số lượng E. coli cao hơn ~ 106 cfu/ml. Ag-NPs/AC cũng được sử dụng làm dạng cột để lọc nước. Ở tốc độ dòng chảy 0,8 L/phút, số lượng E. coli đầu ra bằng 0 khi nước đầu vào có tải lượng vi khuẩn là 104 cfu/ml. Ag-NP được phủ lên các hạt AC hoạt động hiệu quả trong việc giảm số lượng vi khuẩn của bốn mẫu bị ô nhiễm thực tế về 0. Kết hợp với chi phí thấp và hiệu quả trong việc ngăn chặn sự phát triển của E.coli, những vật liệu như vậy sẽ có ứng dụng rộng rãi để khử trùng nước uống.
GIỚI THIỆU
Tài nguyên nước đang cạn kiệt nhanh chóng do dân số thế giới tăng nhanh và sự nóng lên toàn cầu. Do đó, việc sử dụng tài nguyên nước một cách riêng biệt và tái sử dụng nước thải đã qua xử lý cho các mục đích khác nhau đã được công nhận là những cách hiệu quả nhất để bảo tồn nguồn nước ngọt hạn chế (Kalkan et al., 2011). Sự hiện diện của vi khuẩn là dấu hiệu chính của ô nhiễm nước.
Ô nhiễm nước do vi khuẩn là một mối lo ngại về sức khỏe cộng đồng vì nó gây ra nhiều bệnh tật và một số vấn đề về thẩm mỹ như mùi hôi trong nước. Các sinh vật như Escherichia coli, Shigella spp., Salmonella spp., Vibrio spp., và Cryptosporidium được biết là lây truyền qua nước và gây bệnh cho cộng đồng sử dụng nước bị ô nhiễm bởi vi khuẩn (Lukhele et al., 2010). Điều tra của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) cho thấy 80% bệnh tật là do nước uống bị ô nhiễm. WHO khuyến nghị rằng bất kỳ loại nước nào dùng để uống đều phải có tổng số lượng coliform bằng 0 trong bất kỳ mẫu 100mL nào (Prashant và Pradeep, 2005).
Mặc dù các phương pháp khử trùng hiện đang được sử dụng trong xử lý nước uống có thể kiểm soát hiệu quả mầm bệnh vi khuẩn, nhưng các nghiên cứu trong vài thập kỷ qua đã cho thấy một vấn đề nan giải giữa khử trùng hiệu quả và hình thành sản phẩm khử trùng có hại (DBPs).
Các chất khử trùng hóa học thường được sử dụng trong ngành công nghiệp nước như clo tự do, chloramines và ozone có thể phản ứng với các thành phần khác nhau trong nước tự nhiên để tạo thành DBP, nhiều chất trong số đó là chất gây ung thư (Li và cộng sự, 2008). Hơn nữa, khả năng kháng thuốc của một số mầm bệnh, chẳng hạn như Cryptosporidium và Giardia, đối với các chất khử trùng hóa học thông thường đòi hỏi liều lượng chất khử trùng cực cao, dẫn đến sự hình thành DBP trầm trọng hơn.
Do đó, cần phải đánh giá lại các phương pháp khử trùng thông thường và xem xét các phương pháp đổi mới giúp nâng cao độ tin cậy và mạnh mẽ của quá trình khử trùng đồng thời tránh hình thành DBP. Than hoạt tính (AC) đã được chứng minh là một chất hấp phụ hiệu quả để loại bỏ nhiều loại chất ô nhiễm hữu cơ và vô cơ từ môi trường nước hoặc khí (Cook et al., 2001 và Crittenden et al., 1993). Nó được sử dụng rộng rãi do diện tích bề mặt đặc biệt cao (dao động từ 500 đến 1500 m2.g−1), vi xốp bên trong phát triển tốt và phổ rộng của các nhóm chức bề mặt.
Mặc dù hiệu quả của AC hoạt động như chất hấp phụ đối với nhiều loại chất gây ô nhiễm đã được ghi chép rõ ràng, nhưng nghiên cứu về biến tính AC đang trở nên nổi bật do nhu cầu phát triển ái lực của AC đối với một số chất gây ô nhiễm để tạo điều kiện loại bỏ chúng khỏi nước. Điều cần thiết là phải hiểu các yếu tố ảnh hưởng đến sự hấp phụ của AC trước khi sửa đổi chúng để điều chỉnh các tính chất vật lý và hóa học cụ thể của chúng và tăng cường ái lực của chúng đối với kim loại và các chất vô cơ và/hoặc hữu cơ có trong nước. Những tính chất này bao gồm diện tích bề mặt cụ thể, phân bố kích thước lỗ rỗng, thể tích lỗ rỗng và sự hiện diện của các loại nhóm chức năng bề mặt khác nhau (Rivera-Utrilla et al., 2011).
Để đáp ứng mục tiêu này, gần đây người ta đã phát hiện ra rằng phương pháp xử lý bằng than hoạt tính sinh học (BAC), trong đó cả quá trình hấp phụ và phân hủy sinh học đều diễn ra, có lợi thế hơn so với phương pháp xử lý bằng than hoạt tính thông thường trong việc loại bỏ các chất hữu cơ (Suzuki et al., 1995 ; Takeuchi và cộng sự, 1995 và Mochidzuki, 1995). Vì việc sử dụng phương pháp xử lý BAC làm cho toàn bộ cơ sở trở nên nhỏ gọn và tuổi thọ của carbon dài hơn, nên nó đã thu hút được sự chú ý lớn vì là một trong những công nghệ xử lý nước tiên tiến hiệu quả nhất và đang được áp dụng cho các quy trình xử lý khác nhau để loại bỏ các chất ô nhiễm (Suzuki và cộng sự ., 1996). Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ nano đã thúc đẩy sự quan tâm đáng kể đến các ứng dụng môi trường của vật liệu nano. Đặc biệt, nó có tiềm năng cách mạng hóa các quy trình xử lý nước thông thường hàng thế kỷ đã được đưa ra gần đây (USEPA, 2007 và Shannon et al., 2008).
Vật liệu nano là chất hấp phụ, chất xúc tác và cảm biến tuyệt vời do diện tích bề mặt riêng lớn và khả năng phản ứng cao. Gần đây, một số vật liệu nano tự nhiên và kỹ thuật cũng đã được chứng minh là có đặc tính kháng khuẩn mạnh, bao gồm chitosan (Qi và cộng sự, 2004), hạt nano bạc (nAg) (Morones và cộng sự, 2005), xúc tác quang TiO2 (Cho và cộng sự. , 2005 và Wei và cộng sự, 1994), fullerol (Badireddy và cộng sự, 2007), hạt nano fullerene dạng lỏng (nC60) (Lyon và cộng sự, 2006), và ống nano carbon (CNT) (Kang và cộng sự, 2007 ). Không giống như các chất khử trùng hóa học thông thường, các vật liệu nano kháng khuẩn này không phải là chất oxy hóa mạnh và tương đối trơ trong nước. Do đó, chúng không được cho là sẽ tạo ra tác dụng có hại. Nếu được kết hợp đúng cách vào các quy trình xử lý, chúng có khả năng thay thế hoặc tăng cường các phương pháp khử trùng thông thường.
Bột bạc, có kích thước hạt siêu mịn và phân bố đồng đều, được sử dụng đáng kể trong ngành công nghiệp điện tử làm chất dẫn màng dày trong mạch tích hợp do các đặc tính độc đáo của chúng như tính dẫn điện và nhiệt cao, khả năng chống oxy hóa cao (Janardhanan et al., 2009 và Lee và Chou, 2005). Ngoài các ứng dụng điện tử, bạc có đặc tính diệt khuẩn đã được biết đến trong nhiều thế kỷ.
Bạc là kim loại diệt khuẩn an toàn và hiệu quả vì nó không độc đối với tế bào động vật và có độc tính cao đối với vi khuẩn như Escherchia coli (E. coli) và Staphylococcus aureas (Klueh et al., 2000 và Sharma et al., 2009). Nói chung, các hạt nano bạc (Ag-NP) có thể được điều chế bằng các phương pháp khác nhau. Có báo cáo rằng việc điều chế AgNps bằng phương pháp tổng hợp xanh có lợi thế hơn so với các phương pháp thông thường liên quan đến các tác nhân hóa học liên quan đến độc tính môi trường. Trong số các phương pháp tổng hợp xanh, có phương pháp polysaccharid (Lee et al., 2007). Phương pháp này có một số đặc điểm riêng biệt: (i) AgNps được điều chế bằng cách sử dụng nước làm dung môi thân thiện với môi trường. (ii) có sẵn đường để dùng làm chất khử. (iii) không cần chất ổn định hoặc chất đóng nắp nào khác. (iv) đường rất rẻ và thân thiện với sinh học và (v) thay vì giữ các hạt nano trong dung dịch nước, người ta có thể bảo quản an toàn trong bình hút ẩm trong nhiều tháng và có thể được phân tán lại trong pha nước bất cứ khi nào cần (Kumar et al., 2004). Đề tài này nhằm mục đích nghiên cứu việc phủ các hạt nano bạc lên than hoạt tính bằng phương pháp tổng hợp xanh, trong đó các hạt nano này được sử dụng để kiểm soát vi sinh vật trong nước. Hơn nữa, đặc tính của các vật liệu này được nghiên cứu bằng kỹ thuật XRD và SEM. Ngoài ra, ưu điểm của các chất xúc tác này so với than hoạt tính gọn gàng đã được nhấn mạnh trong nghiên cứu về hoạt động sinh học của các vật liệu này trong việc kiểm soát vi sinh vật.
VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP
2.1. Vật liệu:
Các thuốc thử hóa học được sử dụng trong thí nghiệm này là loại phân tích. Bạc nitrat (AgNO3, 99%) và glucose được lấy từ Sigma-Aldrich và được sử dụng như đã nhận. Nước siêu lọc đã khử ion được chuẩn bị bằng hệ thống lọc nước Milli-Q đã được sử dụng trong suốt các thí nghiệm. Tất cả các dụng cụ thủy tinh được rửa bằng siêu âm trong hỗn hợp nước khử ion và chất tẩy không ion, sau đó rửa kỹ bằng nước Millipore và ethanol nhiều lần để loại bỏ bất kỳ tàn dư nào của chất tẩy không ion và làm khô trước khi sử dụng.
2.2 Xử lý than hoạt tính:
Các hạt AC được sử dụng trong nghiên cứu này (loại thương mại) đã được nghiền, sàng đến kích thước 1 mm, sau đó được tinh chế bằng cách xử lý với cô đặc nóng. HNO3, nước cất nóng tuần tự, đặc nóng. dung dịch NH3 và nước cất nóng tuần tự ít nhất 3 lần. AC được sấy khô trong lò ở nhiệt độ 110°C trước khi được phủ các hạt nano bạc.
2.3 Điều chế hạt nano bạc:
Trong nghiên cứu này, hạt nano Ag được điều chế bằng phương pháp polysaccharid. Trong phương pháp này, nước được sử dụng làm dung môi thân thiện với môi trường và glucose vừa là chất khử vừa là chất đóng nắp. Để tổng hợp nano bạc, quá trình khuấy từ được duy trì trong suốt quá trình thí nghiệm. Dung dịch bạc nằm trong khoảng từ 5 đến 40 mM, trong khi lượng glucose được giữ ở mức gấp 4 lần tỷ lệ trọng lượng của AgNO3 thông qua công việc này, (Bảng 1).
Đầu tiên, glucose được hòa tan trong 20 ml nước khử ion (di) (dung dịch A) trong bình phản ứng tối; bạc nitrat với các lượng khác nhau được hòa tan trong phần còn lại của nước DI, được nêu trong bảng 1, (dung dịch B) được bơm từng giọt vào bình phản ứng với tốc độ không đổi 1 ml min-1. Hỗn hợp phản ứng sau đó được hấp khử trùng ở 15 psi, 121°C trong 15 phút. Thu được dung dịch keo màu nâu gồm 500, 1000, 2000 và 4000 ppm các hạt nano bạc.
2.4 Phủ Nano Bạc Lên Hạt Than Hoạt Tính:
50 gm hạt AC đã xử lý được ngâm tẩm trong 250 ml dung dịch hạt nano bạc có nồng độ khác nhau (500, 1000, 2000 và 4000 ppm) trong điều kiện khuấy mạnh ở nhiệt độ phòng qua đêm để đảm bảo lớp phủ được hoàn thiện. Than hoạt tính được phủ bạc sau đó được xử lý trong lò chân không ở 110°C trong ít nhất 2 giờ để cho phép các hạt nano bạc phủ hoàn toàn lên than hoạt tính. Do đó, Ag-NPs/AC với các chế phẩm khác nhau (lần lượt là 2,5 mg/g, 5 mg/g, 10 mg/g và 20 mg/g) đã được điều chế. Xác nhận việc chuẩn bị được thực hiện bằng cách đo chênh lệch trọng lượng của các hạt than hoạt tính trước và sau quá trình phủ và đo lượng bạc còn lại trong dung dịch sau quá trình phủ.
2.5 Đặc tính của Vật liệu đã Chuẩn bị:
Phổ tử ngoại-nhìn thấy (UV-Vis) của Ag-NP được đo trên mô hình Unicom UV4-200 UK hoạt động ở độ phân giải 2nm. Biểu đồ phân bố kích thước được đo bởi Particle Sizing Systems, Inc., Santa Barbara, Calf., USA. Cấu trúc tinh thể của hạt nano bạc được kiểm tra bằng phép đo nhiễu xạ tia X (XRD) Philips Model PW 3710. Các quan sát bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) được thực hiện trên JEOL JSM5900LV được trang bị đầu dò OXFORD EDX. Để phân tích SEM, mẫu than hoạt tính đã nạp được phủ một lớp Au mỏng.
2.6 Thí Nghiệm Vi Sinh:
Tính nhạy cảm với kháng sinh của Ag-NPs/AC tổng hợp đã được nghiên cứu bằng cách sử dụng các kỹ thuật vùng ức chế, ngâm tẩm và cột. Escherichia coli (E. coli) được chọn làm chỉ thị cho sự ô nhiễm phân của nước. Thạch MacConky, canh thang MacConky và thạch dinh dưỡng được sử dụng làm môi trường nuôi cấy. Hỗn dịch vi khuẩn E. coli được pha loãng thành 102 , 104 và 106 CFU/mL (CFU = đơn vị hình thành khuẩn lạc) trong 10 ml nước siêu tinh khiết.
Phân lập và định danh vi khuẩn chỉ thị (E.coli): Các chủng phân lập từ các mẫu nước xét nghiệm được định danh bằng các đặc tính sinh hóa bằng hệ thống dải API 20E (BioMereux). Mỗi dải API 20E bao gồm 27 giếng chứa môi trường khử nước. Mẫu phân lập được thử nghiệm đã được treo trong nước muối vô trùng và được thêm vào từng giếng. Dải đã cấy được ủ trong 16-24 giờ và các phản ứng màu được ghi nhận là dương tính hoặc âm tính như được trình bày trong Bảng 2.
2.6.1 Kiểm tra vùng ức chế:
Đối với các hạt Ag-NPs/AC có các chế phẩm khác nhau, kiểm tra vi khuẩn học được thực hiện bằng kỹ thuật vùng ức chế; Môi trường thạch dinh dưỡng tan chảy đã cấy vi khuẩn E.coli ở các nồng độ khác nhau 102 , 104 và 106 cfu/ml được đổ lên các đĩa Petri đã khử trùng dùng một lần và để cho đông đặc lại.
Lỗ xốp được đặt nhẹ nhàng trên thạch đã đông đặc bằng cách sử dụng nút bần vô trùng kém hơn trong các đĩa Petri khác nhau và các lỗ này được lấp đầy bằng 100 µL các chế phẩm khác nhau của Ag-NPs/AC. Các đĩa được ủ ở 37°C trong 24 giờ. Sau khi ủ, đường kính của vùng ức chế rõ ràng xung quanh mẫu được lấy làm thước đo khả năng ức chế của mẫu đối với sinh vật thử nghiệm cụ thể.
2.6.2 Tẩm (Phương pháp mẻ):
Một số thử nghiệm đã được thực hiện để phát hiện hiệu quả của các hạt nano Ac với Ag đã biến đổi bằng cách sử dụng kỹ thuật ngâm tẩm. AC được phủ Ag-NP 2,5 mg, 5 mg, 10 mg và 20 mg được cân bằng trong cốc có chứa E. coli. Các xét nghiệm bao gồm ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc, tỷ lệ trọng lượng/thể tích và số lượng tế bào E.coli.
2.6.3 Kiểm tra cột:
Hoạt tính kháng khuẩn của các hạt Ag-NPs/AC biến đổi đã được thử nghiệm bằng thí nghiệm cột. Một lượng hạt cần kiểm tra được đóng gói vào một cột nhựa (Hình 1).
Hình 1: Bố trí thí nghiệm cho nghiên cứu cột (hiển thị cột có đường kính 2,5 cm).
Trọng lượng của các hạt Ag-NPs/AC được thử nghiệm là khoảng 50 ± 1g. Cột thử nghiệm được rửa bằng nước máy được bơm liên tục trong 30 phút và nước cất trong 5 phút trước khi chạy. Hiệu quả của AC biến tính đã được thử nghiệm trong hoạt động kháng khuẩn được thực hiện trên nước cất được tiêm các nồng độ E.coli khác nhau và nước thô bị ô nhiễm.
Nước thô được đại diện bởi bốn mẫu được thu thập từ cống thoát nước thải của khu vực Abu-Rawash, phía tây nam Cairo, Ai Cập, với các đặc điểm như trong Bảng 3. Nước thải từ cột được phân tích bằng các phương pháp phân tích được mô tả ở trên.
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1 Đặc tính của nano bạc và AgNP/AC:
Các hạt nano bạc được điều chế theo phương pháp đã mô tả trong phần trước. Màu của dung dịch chuyển từ không màu ban đầu sang xám vàng, tương ứng với sự hình thành các hạt mười hai mặt, rất cần thiết cho sự hình thành các dây bạc sau đó. Sự hình thành của các hạt nano bạc được theo dõi bằng quang phổ UV-Vis. Quang phổ UV-Vis là một trong những kỹ thuật được sử dụng rộng rãi nhất để mô tả cấu trúc của các hạt nano bạc. Một đỉnh rộng duy nhất có tâm ở bước sóng 420nm đã được quan sát thấy tương ứng với sự kích thích Plasmon của các hạt nano bạc (Hình 2).
Đỉnh hấp thụ có cực đại xảy ra ở khoảng 420 nm có liên quan đến sự hình thành các hạt kim loại bạc cũng như khoảng cách giữa các hạt nano lân cận và chiều cao của nó tương ứng với nồng độ của các hạt kim loại bạc (Lee et al., 2007). Biểu đồ kích thước hạt của các hạt bạc cho thấy các hạt này có kích thước từ 12 đến 70 nm với đường kính trung bình là 26 nm (Hình 3).
Hình 2: Phổ hấp thụ UV-Vis của Ag-NP tổng hợp được.
Hình 3: Sự phân bố kích thước hạt của Ag-NP.
Các Ag-NP/AC biến đổi khác nhau được đặc trưng bằng kỹ thuật hiển vi điện tử quét (SEM) và nhiễu xạ tia X (XRD). Các mẫu SEM (Hình 4) cho thấy sự phân bố của Ag-NP trên bề mặt xốp của than hoạt tính.
Hình 5 mô tả các mẫu XRD của AC và Ag-NPs/AC. Giản đồ XRD của Ag tẩm trên than hoạt tính cho thấy pha cacbon vô định hình và bạc ở pha kim loại (Kumar et al., 2004). Tất cả các đỉnh nổi bật ở các giá trị 2θ tương ứng được biết đến với bạc fcc có hóa trị 0 đại diện cho các mặt phẳng tinh thể 111, 200, 220, 311 và 222 do phản xạ của Bragg đều có mặt (Khanna et al., 2007).
3.2 Hoạt động kháng khuẩn:
Giám sát chất lượng nước đối với các thông số vi sinh vật đòi hỏi phải lựa chọn và sử dụng các sinh vật chỉ thị. Các nhóm coliform, coliform tổng số và coliform phân, được sử dụng rộng rãi nhất làm sinh vật chỉ thị, đặc biệt đối với ô nhiễm phân của nước Escherichia coli, được phân loại theo coliform phân, đã được sử dụng trên toàn thế giới như một chỉ thị cụ thể về ô nhiễm vi khuẩn trong nước uống.
Hình 4: Ảnh SEM của a) AC nguyên vẹn ở độ phóng đại 1000 và AgNPs/AC (20 mg/g) ở các độ phóng đại khác nhau; b) 1000 và c) 3000.
Hình 5: Các mẫu XRD; (a) than hoạt tính gọn gàng, (b) Ag-NPs/AC (20mg/g).
Bạc được biết đến với đặc tính kháng khuẩn và đã được sử dụng trong nhiều năm trong lĩnh vực y tế cho các ứng dụng kháng khuẩn (Nino-Martinez và cộng sự, 2008). Ngoài ra, bạc đã được sử dụng trong lọc nước và không khí để loại bỏ vi sinh vật (Chou et al., 2005). Các ion bạc tương tác với các nhóm thiol trong protein, dẫn đến vô hiệu hóa các enzym hô hấp và dẫn đến việc sản xuất ROS (Matsumura et al., 2003). Người ta cũng chứng minh rằng các ion Ag+ ngăn chặn quá trình sao chép DNA và ảnh hưởng đến cấu trúc cũng như tính thấm của màng tế bào (Feng et al., 2000). Cho đến nay, một số cơ chế đã được đặt ra cho đặc tính kháng khuẩn của các hạt nano bạc: (1) sự bám dính của các hạt nano lên bề mặt làm thay đổi tính chất của màng, các hạt nAg đã được báo cáo là phân hủy các phân tử lipo polysaccharid, tích tụ bên trong màng bằng cách hình thành các ”rỗ”. ” và gây ra sự gia tăng lớn tính thấm của màng (Sondi và Salopek-Sondi, 2004); (2) hạt nAg xâm nhập vào bên trong tế bào vi khuẩn, dẫn đến tổn thương DNA; (3) sự hòa tan nAg giải phóng các ion Ag+ kháng khuẩn (Morones et al., 2005). Cơ chế tác dụng diệt khuẩn của bạc và Ag-NP vẫn chưa được hiểu rõ. Hơn nữa, các Ag-NP nhỏ hơn có diện tích bề mặt tương tác lớn sẽ mang lại hiệu quả diệt khuẩn cao hơn so với các Ag-NP lớn hơn (Kvitek et al., 2008).
3.2.1 Kỹ thuật vùng ức chế:
Đối với các hạt Ag-NPs/AC được chuẩn bị khác nhau, kiểm tra vi khuẩn học được thực hiện bằng kỹ thuật vùng ức chế. Đường kính của vùng ức chế (tính bằng cm) xung quanh các hạt khác nhau với chủng được thử nghiệm được trình bày trong Bảng (4) cho thấy phản ứng tích cực của nồng độ E.coli (102.104 và 106 cfu/ml) đối với sự ức chế với tất cả các nồng độ Ag-NPs .
Bảng 4: Kết quả kiểm tra vùng ức chế đối với E. Coli trên các hạt NP Ac/Ag khác nhau
Đường kính vùng ức chế tăng khi tăng nồng độ NP. Ngược lại, vùng ức chế giảm khi tăng nồng độ vi khuẩn. Như vậy, vùng ức chế tối thiểu là 0,9 đối với E.coli nồng độ 106 cfu/ml ở Ag-NPs/AC (2,5 mg/g) trong khi đường kính vùng ức chế tối đa là 1,4 cm với E.coli nồng độ 102 cfu/ml ở Ag -NPs/AC (20mg/g).
3.2.2 Kỹ thuật tẩm:
Một số thử nghiệm sơ bộ đã được thực hiện để phát hiện hiệu quả của AC biến đổi với Ag-NP sử dụng kỹ thuật ngâm tẩm. Các xét nghiệm bao gồm ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc, tỷ lệ trọng lượng/thể tích và số lượng tế bào E.coli. Nồng độ tế bào vi khuẩn nằm trong khoảng 102 đến 106 CFU/ml. Các hạt than hoạt tính không có hạt nano bạc được sử dụng làm mẫu trắng. Các cốc chứa huyền phù vi khuẩn được giữ trong máy lắc trong 5 phút và các phân số được rút ra sau 1 phút, 3 phút và 5 phút để kiểm tra mức độ giảm vi khuẩn dưới dạng hàm của thời gian (Bảng 5).
Ở tỷ lệ hạt/dung dịch (wt./vol) không đổi (2,5/50), kết luận chung của dữ liệu cho thấy, khi nồng độ Ag-Nps và thời gian tiếp xúc tăng lên, số lượng vi khuẩn E.coli giảm và số lượng giảm nhiều hơn rõ ràng khi nồng độ vi khuẩn giảm (tức là 102 thích hợp hơn 104 và 106). Ag-NPs/AC (2,5mg/g) cho thấy vi khuẩn giảm 60%-99,6% trong vòng 1 phút sau thời gian tiếp xúc. Tỷ lệ này lần lượt đạt 97% – 99,7% và 98,2% -100% sau 3 phút và 5 phút tiếp xúc. Cũng từ Bảng 4, chúng ta có thể thấy xu hướng chung là tăng hoạt động khử vi khuẩn khi lượng Ag-NP nạp vào hạt AC tăng lên, đạt 99,3% -100% sau 1 phút và 100% sau 5 phút trong trường hợp Ag-NPs/AC (20mg/g). Điều này cho thấy khả năng loại bỏ E. coli rất nhanh bằng cách phủ các NP đã chuẩn bị lên các hạt AC. Mặt khác, than hoạt tính chỉ cho số lượng vi khuẩn với tất cả thời gian tiếp xúc được sử dụng nhưng số lượng giảm khi thời gian tiếp xúc tăng (Hình 6).
Hình 6: E.Coli còn sót lại sau khi ngâm tẩm trong 5 phút và w/v; 2,5 g/ 50 ml; (a) AC nguyên chất trong 104 cfu/ml, (b) AgNPs/AC (2,5mg/g) trong 104 cfu/ml, (c) Ac nguyên vẹn trong 106 cfu/ml và (d) Ag-NPs/AC (20mg /g) tính bằng 106 cfu/ml.
Thí nghiệm này được tiến hành để tối ưu hóa số lượng hạt nano bạc liên kết với hạt AC cần thiết để thực hiện tác dụng diệt khuẩn 100%. Do đó, Ag-NPs/AC (20mg/g) có thể đạt được số lượng vi khuẩn bằng 0 bất kể tất cả các lần ngâm tẩm ở nồng độ 102 vi khuẩn ban đầu. Đối với nồng độ vi khuẩn 104 và 106, Ag-NPs/AC (20mg/g) có thể giảm lượng E.coli về 0 sau 5 phút.
Hơn nữa, ảnh hưởng của nồng độ hạt Ag-NPs/AC khác nhau đã được nghiên cứu ở thời gian tiếp xúc không đổi, 5 phút. 0,5, 1, 2,5, 5 và 10 gm Ag-NPs/AC được cân bằng với nồng độ 102, 104 và 106 E.coli (Bảng 6).
Kết quả thu được trong bảng (5) chứng minh rằng hiệu quả giảm diệt khuẩn tăng lên khi tăng hàm lượng Ag-NPs và nồng độ Ag-NPs/AC đối với tất cả các nồng độ E.coli. Hình 6: E.Coli còn sót lại sau khi ngâm tẩm trong 5 phút và w/v; 2,5 g/ 50 ml; (a) AC nguyên chất trong 104 cfu/ml, (b) AgNPs/AC (2,5mg/g) trong 104 cfu/ml, (c) Ac nguyên vẹn trong 106 cfu/ml và (d) Ag-NPs/AC (20mg /g) tính bằng 106 cfu/ml.
Tóm lại, kết quả của các thử nghiệm ngâm tẩm phản ánh hiệu quả cao của các hạt AC phủ NP đã chuẩn bị để khử trùng nước khỏi vi sinh vật trong một khoảng thời gian ngắn (tối đa 5 phút) ngay cả với số lượng cao hơn.
3.2.3. Hệ thống khử trùng nước quy mô nhỏ:
Hệ thống khử trùng cột được đóng gói ở quy mô phòng thí nghiệm (đường kính 2,5 cm và cao 12 cm) chứa 50 gm Ag-NPs/AC (20 mg Ag-NPs được phủ lên mỗi một gam hạt than hoạt tính) đã được áp dụng để làm sạch vi sinh vật chứa nước (Hình. 1). Hệ thống được vận hành với tốc độ dòng chảy liên tục và không đổi là 0,8 L/phút. Trước hết; đã tiến hành thử nghiệm dòng chảy đối với nước tinh khiết có chứa E.coli (104 cfu/ml). Không tìm thấy vi khuẩn trong nước đầu ra sau khi đi qua lớp phủ nano bạc lên than hoạt tính (Hình 7a). Tuy nhiên, đã xuất hiện sự tăng trưởng đáng kể trong nước đầu ra đi qua than hoạt tính trắng ở cùng tốc độ dòng chảy (Hình 7b).
Đối với thí nghiệm thu hồi/tái sử dụng nước thải, bốn mẫu được thu thập từ nước được xử lý thứ cấp của nhà máy xử lý nước thải ở khu vực Abu Rawash và được sử dụng làm nước thô để áp dụng cho hệ thống thu hồi/tái sử dụng nước thải thực tế. Đặc điểm của các mẫu nước thải trước quá trình xử lý được tóm tắt trong bảng 3, qua đó ta có thể thấy các mẫu có chứa tổng số vi sinh vật và số lượng mẫu coli tương ứng dao động trong khoảng 1200-2000 cfu/ml và 600-1600 cfu/ml. Hệ thống gồm 20 mg AgNP được phủ một gam hạt than hoạt tính đã được thử nghiệm về đặc tính kháng khuẩn trên bốn mẫu nước thải được thu thập bằng cách sử dụng cột đóng gói quy mô phòng thí nghiệm với tốc độ dòng chảy liên tục là 0,8 L/phút. Ảnh hưởng của các hạt nano bạc đối với vi sinh vật được thể hiện trong Hình 8. Trong khi đó, tổng số lượng vi khuẩn và số lượng coliform đã giảm xuống còn không do hoạt động kháng khuẩn của các hạt nano bạc, trong khi đó, sự tăng trưởng được quan sát thấy ở đối chứng (được kích hoạt gọn gàng carbon), như trong Hình 8.
Hình 7: Kết quả xét nghiệm dòng chảy đối với E. coli (104 CFU/mL). (a) Sau khi đi qua than hoạt tính trắng. (b) Sau khi đi qua lớp phủ hạt nano-bạc than hoạt tính. Số lượng vi khuẩn có thể nhìn thấy rõ ràng trong (a), trong khi số lượng bằng 0 trong (b).
Hình 8: Kết quả kiểm tra lưu lượng mẫu nước thải. (a-d) Sau khi đi qua than hoạt tính trắng. (e-h) Sau khi đi qua lớp phủ hạt nano-bạc than hoạt tính. Số lượng vi khuẩn có thể nhìn thấy rõ ràng trong (a-d), trong khi số lượng bằng 0 trong (e-h).
Sự kết luận
Các hạt nano bạc được phủ lên các giá đỡ than hoạt tính từ dung dịch bạc nitrat sử dụng glucose làm chất khử. Các Ag-NP và Ag-NP/AC đã chuẩn bị được đặc trưng bằng máy quang phổ UV-Vis, XRD và SEM. Đặc tính kháng khuẩn hoạt tính tiếp xúc được đo bằng vùng trong suốt được hình thành bởi bạc có chứa các hạt than hoạt tính trên tấm. Phương pháp lô cho thấy rằng với sự gia tăng thời gian tiếp xúc và giảm số lượng vi khuẩn, sự ức chế hoàn toàn đã đạt được. Trong thử nghiệm cột, AgNPs/AC đã chuẩn bị cho thấy sự giảm thiểu hoàn toàn vi khuẩn trong nước tổng hợp và các mẫu nước bị ô nhiễm thực tế.
Dữ liệu cho thấy mối quan hệ trực tiếp giữa nồng độ Ag-NP và thời gian tiếp xúc đối với hoạt động diệt khuẩn đối với E.coli, được biểu thị như một chỉ báo về ô nhiễm vi sinh vật, trong đó khi nồng độ AgNP và thời gian tiếp xúc tăng lên, số lượng vi khuẩn E.coli giảm và vùng ức chế tăng đối với tất cả các nồng độ vi khuẩn được sử dụng
Abdel Hameed M. El-Aassar, Moustafa M. Said, Amr M. Abdel-Gawad and Hosam A. Shawky
Water Treatment & Desalination Unit, Desert Research Center, El-Matariya, Cairo, P.O.B 11753, Egypt 2
Soil Fertility and Microbiology Dept., Desert Research Center, El-Matariya, Cairo, P.O.B 11753, Egypt.3
Center of Nanotechnology, School of Engineering & Applied Sciences, Nile University, Smart
Village-B71, Cairo, Egypt