Nghiên cứu, chế tạo ‘Bàn rửa và khử trùng’ trên cơ sở công nghệ hoạt hóa điện hóa
1. MỞ ĐẦU
Để loại trừ khả năng phát tán vi khuẩn, vi rút có hại qua các dụng cụ sử dụng trong các cơ sở xét nghiệm vi sinh người ta thường sử dụng 02 nhóm phương pháp khử khuẩn là khử khuẩn bằng phương pháp vật lý (bằng hơi nóng, tia cực tím, siêu âm …) hoặc bằng phương pháp hóa học (như sử dụng khí ethylene oxyde, hoạt chất glutaraldehyde, các loại cồn, formol, cồn iode, oxy già 3%, hypochlorite…).
Ở Việt Nam đang sử dụng phổ biến phương pháp khử trùng bằng các chất oxi hoá mạnh. do có các ưu điểm là diệt khuẩn mạnh, nhanh, phổ rộng và có tác dụng kéo dài. Tuy nhiên, phương pháp này tồn tại một số nhược điểm. Ví dụ: (i) khử trùng bằng khí ethylene oxyde thì tốn kém, yêu cầu phải có trang thiết bị đặc biệt, dễ nhiễm độc nhất là một số vật liệu dễ hấp thụ khí ethylene oxyde như cao su, silium và có thể gây bỏng; (ii) Sử dụng Glutaraldehyde thì dung dịch phải được hoạt hóa bằng pha trộn vào các dung dịch đệm; (iii) Dùng dung dịch kiềm glutaraldehyde dễ thay đổi theo pH và sẽ mất tác dụng sau một ngày hoạt hóa, ngoài ra nó có mùi đặc biệt và có độc tính nên cũng ảnh hưởng đến người sử dụng; (iv) Các loại cồn tuy diệt khuẩn mạnh nhưng lại kích thích mạnh; (v) Formol cũng là một thuốc khử khuẩn mạnh, rẻ tiền và sử dụng khá rộng rãi, nhất là trong các bệnh viện, nhưng khá độc … Gần đây, Viện Công nghệ môi trường (CNMT) – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã nghiên cứu thành công việc sử dụng dung dịch hoạt hóa điện hóa (HHĐH) anolyte khử trùng trong y tế, nước sinh hoạt và vệ sinh môi trường. Công nghệ này đã được cấp Bằng độc quyền Giải pháp hữu ích số 1285 ngày 10 tháng 8 năm 2015. Dung dịch khử trùng anolyte được tạo thành từ nước muối bằng một quá trình điện hóa trên hệ điện cực đặc biệt, đáp ứng được hầu hết các tiêu chuẩn của một chất sát trùng lý tưởng, với khả năng diệt khuẩn đa năng, có tác dụng huỷ diệt đối với tất cả các nhóm vi sinh (vi trùng, siêu vi trùng kể cả siêu vi trùng lao, virus kể cả virus poliomielit và hepatit A, B, C, nấm, bào tử, …) mà không gây tác hại gì cho tổ chức tế bào của người và các sinh vật cấp cao khác, tức là các tế bào sống trong thành phần các hệ đa bào [1-3]. Trên cơ sở công nghệ HHĐH này, Viện CNMT đã nghiên cứu chế tạo được thiết bị ‘Bàn rửa và khử trùng GIA THANH’ có hình thức giống như bàn rửa kép thông thường; thiết bị có 2 chậu rửa, một chậu rửa có vòi nước tinh lọc, chậu rửa còn lại có vòi dung dịch anolyte để khử trùng. Cả hai vòi đều hoạt động dựa trên công nghệ cảm ứng. Bàn rửa và khử trùng GIA THANH giúp các nhân viên thí nghiệm, nhân viên y tế khử trùng ngay lập tức các đồ vật mang nhiều mầm bệnh.
2. Nội dung nghiên cứu
2.1. Cơ chế khử trùng bằng dung dịch hoạt hóa điện hóa
Phương pháp khử trùng bằng dung dịch HHĐH anolyte là phương pháp khử trùng không đòi hỏi phải đưa thêm các tác nhân oxy hóa đặc biệt mà chỉ cần sự có mặt của nước và muối – đó là những nguyên liệu dễ kiếm, rẻ tiền, thân thiện với môi trường, đặc biệt không độc hại đối với sức khỏe con người.
Thật vậy, dung dịch HHĐH anolyte là dung dịch sinh ra sau quá trình điện phân muối ăn trên điện cực anot của buồng điện hóa MB-11 của LB Nga. Do các điện cực có cấu tạo đặc biệt nên sản phẩm của quá trình điện phân là các gốc tự do như: HClO; ClO–; HO*; HO2*; HO2–; 1O2; Cl*. Hình 1 là ảnh của buồng điện hóa MB-11, kích thước cỡ chiếc bút máy, đã được cắt bỏ một phần để dễ dàng quan sát các phần bên trong. Có thể thấy khoảng cách từ điện cực đến màng ngăn là rất hẹp chỉ vào cỡ milimet, đồng thời độ đồng đều về khoảng cách giữa các bề mặt điện cực và màng ngăn hầu như đạt tới mức độ hoàn hảo. Điện cực được làm từ Titan tinh khiết, bề mặt điện cực anốt được phủ lớp điôxit Titan và sau đó phủ thêm các ôxit kim loại quý hiếm như bạch kim (PTA), hỗn hợp Ir-Ru-Sb, Ir-Ru-Ti hoặc Ru (ORTA) nhằm mục đích tăng tuổi thọ anốt và qúa thế phân cực (3000 mV). Màng ngăn được chế tạo từ vật liệu gốm trên cơ sở các ôxit nhôm cùng với một ít ôxit ytri và zirconi có độ bền cực cao. Màng ngăn được thiết kế cách bề mặt điện cực khoảng 1,5 mm và tuyệt đối song song với chúng.
Trên hình 2 là sơ đồ lưu dẫn của buồng điện hóa. Trong sơ đồ trên, dung dịch muối loãng (1-5g/lít) trước tiên được cho chạy qua khoang catot để nâng cao pH và bão hòa catolyte bằng khí hydro và sau đó một phần lớn catolyte được cho chảy qua khoang anot và tại lối ra thu nhận anolyte trung tính.
Dung dịch HHĐH anolyte trung tính có các thông số cơ bản [2- 4] như sau:
+Nồng độ các chất oxy hóa qui đổi theo Clo hoạt tính: 250 – 350 mg/l
+ pH = 6,5 – 8,5.
+ ORP = 700 – 900 mV (Pt vs. AgCl/Ag).
Dung dịch anolyte có các gốc oxy hóa rất mạnh, các gốc này sẽ oxy hóa các thành phần như protein, lipit,.. (thường là lớp màng tế bào) của vi khuẩn khiến cho lớp màng tế bào vi khuẩn bị phân hủy, đồng thời làm giảm 77 đến 93% khả năng hô hấp của tế bào vi khuẩn khiến cho tế bào vi khuẩn suy yếu dần và cuối cùng là bị tiêu diệt [5].
2.2. Phương pháp luận
Thiết bị sau khi chế tạo được kiểm tra đánh giá về các thông số cơ bản của dung dịch anolyte và tính năng khử trùng của thiết bị. Các thông số cơ bản của dung dịch hoạt hóa điện hóa anolyte được đo bằng các thiết bị đo nhanh chuyên dụng.
Tính năng khử trùng của thiết bị được đánh giá bằng thực nghiệm thông qua việc cho các vi sinh vật tiếp xúc với dung dịch HHĐH anolyte, sau đó sử dụng phương pháp đổ đĩa thạch để xác định mật độ vi khuẩn CFU (Colony-forming unit) trước và sau khi khử trùng.
2.3. Nghiên cứu chế tạo thiết bị bàn rửa khử trùng Gia Thanh
Dựa trên yêu cầu thực tế ở Việt Nam, chúng tôi lựa chọn chế tạo thiết bị có công suất trung bình 10 lít anolyte/giờ.
a) Thiết kế thiết bị
Trên hình 3 là ảnh chụp bên ngoài và cấu tạo bên trong, hình 4 là sơ đồ công nghệ tổng thể của thiết bị bàn rửa khử trùng Gia Thanh có công suất 10 lít anolyte/ giờ. Máy được chế tạo theo dạng hình hộp, vỏ bằng inox sus 306, thiết bị gồm có các bộ phận chính: bồn rửa bằng nhựa cao cấp, van điều khiển tự động, bơm cấp dung dịch khử trùng lưu lượng 120 lít/giờ, hệ thống lọc nước RO công suất 10 lít/giờ, Modul điện hóa MB 11 công suất 10 lít anolyte/giờ, tủ điện điều khiển tự động, aptomat chống giật, thùng chứa sản phẩm 10 lít và 2 vòi cảm ứng tự động trong đó 1 vòi cấp nước sạch tinh khiết và 1 vòi cấp dung dịch hoạt hóa điện hóa anolyte có khả năng khử trùng. Các thông số kỹ thuật của Bàn rửa và khử trùng được thể hiện trong bảng 1.
– Cấu tạo phần điện và hệ thống điều khiển:
Thiết bị sử dụng điện lưới 220V. Trên hình 5 là sơ đồ cấu tạo của tụ điện điều khiển thiết bị. Trong tủ điện gồm có: đồng hồ, bo mạch, biến áp lực, biến áp mạch điều khiển, cầu đấu dây, quạt gió, shunt và thyristor. Các chi tiết trong tủ điện được nghiên cứu chế tạo đặc biệt để có khả năng làm việc ổn định, có tuổi thọ cao trong môi trường oxy hóa (dung dịch hoạt hóa điện hóa anolyte) và đảm bảo an toàn tuyệt đối cho người sử dụng.
– Cấu tạo bồn rửa bằng nhựa cao cấp:
Nhựa tấm PVC của Tiền Phong dày 5mm được gia nhiệt, uốn cong và hàn thành bồn rửa. Bồn rửa này được hàn với tấm PVC khác đã được khoét lỗ có đường kính bằng với đường kính của bồn rửa. Như vậy, bồn rửa và mặt bàn liền thành một khối (hình 6). Khi lắp ráp chỉ việc đặt lên khung và bắt vít chìm.
– Vòi cảm ứng tự động:
Vòi cảm ứng thông minh SH-F68 hoạt động bằng công nghệ cảm ứng hồng ngoại. Khi người sử dụng đưa tay vào vùng cảm ứng, thiết bị sẽ tự động xả nước để làm sạch tay và ngắt nước khi người sử dụng đưa tay ra. Thân vòi được làm bằng đồng mạ chrome cho độ bền cao và vẻ đẹp sang trọng (hình 7). Công nghệ Hybrid sử dụng cả pin và điện giúp thiết bị có thể hoạt động bền bỉ và liên tục. Tính năng tự động và thông minh của thiết bị giúp tiết kiệm nước và đảm bảo vệ sinh khi sử dụng.
Thông số kỹ thuật:
+ Điện áp: AC 220V – 50/60Hz
+ Khoảng cách cảm ứng: 15 cm
+ Áp lực cấp nước: 0,7 – 7,6 Kgf/cm2
+ Kích thước: 120 x 100 x 60 mm
+ Trọng lượng thân vòi: 1,0 kg
b) Đánh giá thông số cơ bản của dung dịch hoạt hóa điện hóa anolyte
– Sử dụng các thiết bị đo nhanh để kiểm tra các thông số cơ bản của dung dịch hoạt hóa điện hóa anolyte:
+ Đo pH, ORP bằng máy đo HI 991002 của hãng Hanna. (a)
+ Đo TDS bằng máy SensION5 của hãng Hach. (b)
+ Đo clo hoạt tính bằng Test Kit HI 38023 của hãng Hanna. (c)
Đo điện áp, dòng điện bằng đồng hồ vạn năng Fluke 336. (d)
c) Đánh giá tính năng khử trùng của thiết bị
– Chuẩn bị dung dịch:
+ Chuẩn bị dung dịch anolyte (dung dịch A) theo các thông số cơ bản sau: pH = 6,8; Thế ô xy hóa khử (ORP) = 800 mV; Nồng độ chất oxy hóa (tính theo clo hoạt tính) lần lượt là 0; 0,1; 0,25; 0,5; 1,0 ppm.
+ Chuẩn bị dịch hỗn hợp E. coli mật độ 104 CFU/ml và coliform mật độ 105 CFU/ml (dịch B).
– Tiến hành thí nghiệm:
Cho 1 ml dịch B tiếp xúc với 9 ml dung dịch A có nồng độ chất khử trùng lần lượt là 0; 0,1; 0,25; 0,5; 1 ppm, trong thời gian 5 phút, sau đó khử clo dư bằng Na2S2O3 0,1 N rồi xác định mật độ E. coli và coliform còn lại trong dung dịch.
Kết quả thu được được thể hiện trên bảng 3 và các hình 8, 9. Kết quả cho thấy, trong thời gian thử nghiệm là 5 phút, việc khử trùng không có hiệu quả đối với các nồng độ dung dịch oxy hóa được thử nghiệm là 0,1ppm và 0,25ppm. Mật độ E. coli và Coliform sau khi tiếp xúc với dung dịch oxy hóa ở hai nồng độ này cũng không có sự khác biệt nhiều, so sánh tương đối với nhau và đặc biệt là so với mật độ vi khuẩn ban đầu, khi nồng độ dung dịch oxy hóa là 0 ppm.
Khi tăng nồng độ dung dịch oxy hóa lên 0,5ppm và 1ppm thì việc khử trùng lập tức có hiệu quả: không còn thấy tồn tại cả hai loại vi khuẩn trong tất cả các mẫu sau khi tiếp xúc. Có thể kết luận rằng: trong các nồng độ được chọn làm thử nghiệm thì nồng độ tối ưu của dung dịch oxy hóa dùng để xử lý dung dịch có mật độ E. coli: 103 CFU/ml và Coliform: 104 CFU/ml trong 5 phút là 0,5ppm.
3. KẾT LUẬN
Sau một thời gian dài nghiên cứu và ứng dụng dung dịch HHĐH anolyte cho các cơ sở y tế, chăn nuôi, thủy sản, Viện CNMT đã thiết kế chế tạo thành công ‘Bàn rửa và khử trùng GIA THANH’ có hình thức giống như bàn rửa kép thông thường: có 2 chậu rửa, một chậu rửa có vòi nước tinh lọc, chậu rửa còn lại có vòi dung dịch anolyte để khử trùng. Cả hai vòi đều hoạt động dựa trên công nghệ cảm ứng. Dung dịch anolyte sinh ra chỉ cần có nồng độ Clo hoạt tính 0,5ppm là đã có khả tiêu diệt 100% E.coli và coliform ở mật độ lần lượt là 103 CFU/ml và 104 CFU/ml sau 5 phút tiếp xúc. Như vậy ‘Bàn rửa và khử trùng‘ có khả năng khử trùng rất mạnh, hoàn toàn có thể ứng dụng trong các bệnh viện hoặc buồng xét nghiệm vi sinh để cho các nhân viên, kỹ thuật viên rửa tay vô trùng hoặc sử dụng nước anolyte chảy ra từ vòi của thiết bị để rửa khử trùng các dụng cụ y sinh.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Nguyễn Hoài Châu, V.M. Bakhir, Ngô Quốc Bưu. Dung dịch hoạt hóa điện hóa công nghệ và ứng dụng. Nhà xuất bản Khoa học Tự nhiên và Công nghệ (2015).
2. Nguyễn Hoài Châu, Ngô Quốc Bưu, Nguyễn Văn Hà. Nghiên cứu phát triển và ứng dụng công nghệ hoạt hóa điện hóa ở Việt Nam. Tạp chí Khoa học và Công nghệ 50(6), 923-941 (2012).
3. Nguyễn Văn Hà, Nguyễn Hoài Châu – Dung dịch hoạt hóa điện hóa và ứng dụng trong y tế, Tạp chí hóa học 47 (5A) 209 – 214 (2009).
4. Vitold Bakhir Electrochemical Systems and Technologies Institute – Electrochemical activation selected articles, Moscow (2010).
5. P. Manes, S. Smolinski, D.M. Blake, Z. Huang, E.J. Wolfrum, W.A. Jacoby. Bactericidal Activity of Photocatalytic TiO2 Reaction: toward an Understanding of Its Killing Mechanism. Appl Environ Microbiol, 65(9), 4094–4098 (1999).
Tác giả : TS. Lê Thanh Sơn, Nguyễn Chí Thanh
Viện Công nghệ Môi trường, Viện Hàn Lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
(Nguồn tin: Nilp.vn)
