Nghiên cứu chế tạo tấm lọc phủ Nano bạc ứng dụng trong các thiết bị làm sạch không khí
1. MỞ ĐẦU
Việc kiểm soát tình trạng ô nhiễm không khí trong các phòng kín như các phòng chuyên môn của bệnh viện, văn phòng, tòa nhà công cộng và nhà ở… do các tác nhân bụi, hóa chất, vi sinh vật ngày càng trở nên cấp thiết để đảm bảo chất lượng cuộc sống con người và nâng cao điều kiện làm việc. Tập trung nghiên cứu, phát triển, hoàn thiện các công nghệ làm sạch không khí (LSKK) trong phòng kín là vấn đề đang được quan tâm trên toàn thế giới, trong đó có Việt Nam [3-5].
Đa phần các thiết bị LSKK xuất hiện trên thị trường hiện nay đều chỉ sử dụng các bộ lọc cơ học trong đó có bộ lọc hiệu suất cao HEPA để giữ lại nấm và vi khuẩn trên màng lọc mà không tiêu diệt chúng một cách triệt để. Gần đây, xuất hiện một số thiết bị LSKK bằng công nghệ xúc tác quang (XTQ) tiên tiến có cấu tạo hoàn chỉnh, gồm nhiều tầng lọc với các chức năng chuyên biệt nên tạo ra khả năng xử lý một cách triệt để các tác nhân ô nhiễm trong không khí [6, 7]. Tuy nhiên, một hạn chế của các thiết bị loại này là sau một thời gian sử dụng, các tấm lọc tinh, lọc thô trên thiết bị cũng có khả năng trở thành các ổ khu trú của vi sinh và khuếch tán ngược trở lại môi trường không khí.
Bạc đã được biết đến từ xa xưa là một nguyên tố với hoạt tính kháng khuẩn tự nhiên mạnh nhất. Hiện nay, với sự phát triển của công nghệ nano, hoạt tính kháng khuẩn của bạc đã được tăng lên rất nhiều lần, và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực để sử dụng cho mục đích khử trùng [8, 9]. Do đó, chúng tôi áp dụng phủ 1 lớp nano bạc trên các tấm lọc tinh của thiết bị LSKK bằng XTQ để giải quyết hạn chế này.
2. THỰC NGHIỆM
– Các tấm lọc được lựa chọn để phủ nano bạc phải là các tấm lọc có khả năng thấm hút tốt, khả năng bám dính nano bạc cao, và bề mặt bông xốp để không khí dễ dàng đi qua nhưng đồng thời hiệu quả giữ bụi, vi khuẩn phải là tốt nhất. Bốn loại màng lọc trên thị trường đã được lựa chọn để tiến hành thử nghiệm là polyurethane (PU), polyethylen (PE), xenlulo và sợi polypropylen (PP).
– Dung dịch nano bạc dùng trong nghiên cứu có nồng độ 500ppm, kích thước hạt trung bình 20 – 25 nm do Ngô Quốc Bửu và cộng sự tổng hợp tại Viện Công nghệ môi trường [10].
2.1. Quy trình phủ nano bạc lên tấm lọc
Phương pháp phủ được sử dụng là phương pháp nhúng tẩm: Các màng được cắt thành các mảnh với kích thước 50×60 cm, chuẩn bị cốc thủy tinh 5l, đổ vào cốc 2l dung dịch nano bạc 500ppm, nhúng ngập các tấm lọc đã chuẩn bị và ngâm trong thời gian 2h ở nhiệt độ phòng để màng được thấm đều dung dịch. Sau 2h, lấy các mẫu ra và để khô tự nhiên trong 24h. Sau đó, các màng được bảo quản trong túi tối màu để tránh ánh sáng trước khi được đưa vào sử dụng.
2.2. Đánh giá khả năng diệt khuẩn của màng phủ nano bạc tiếp xúc trực tiếp với dịch vi khuẩn
Đánh giá hoạt tính kháng khuẩn của màng phủ nano bạc bằng phương pháp đếm khuẩn lạc, quy trình tiến hành như sau:
– Ngâm màng lọc đối chứng (không phủ nano bạc) và màng lọc tẩm dung dịch nano bạc cùng có kích thước 2 x 2 cm trong 10 mL dịch vi khuẩn E.coli 106 CFU/mL trong 24 giờ.
– Sau thời gian 24 giờ, hút 0,1 mL dịch vi khuẩn E.coli từ các đĩa chứa các loại vật liệu mang đi phân tích vi sinh. Mẫu được ủ trong thời gian 24 giờ ở nhiệt độ 37°C. Đếm số khuẩn lạc xuất hiện ở mỗi đĩa và tính mật độ tế bào vi sinh vật trong mẫu ban đầu.
2.3. Đánh giá khả năng diệt khuẩn của màng lọc khi có dòng không khí đi qua
Kích thước màng lọc khảo sát 19 × 29 cm, gắn vào thiết bị chạy thử nghiệm hình hộp chữ nhật (19 × 29 × 60 cm), rỗng hai đầu, một đầu gắn màng lọc cần khảo sát, một đầu gắn quạt hút công suất 40W (Hình 2). Thiết bị chạy thử nghiệm được đặt trong một box thí nghiệm (buồng kính) có thể tích 10 m3.
Phương pháp lấy mẫu được sử dụng là phương pháp lấy mẫu vi sinh, sử dụng các đĩa thạch để hút không khí và đập vào mặt thạch, tiến hành quan sát để phát hiện và đếm số khuẩn lạc – colony forming unit (cfu) có trong 1m3 không khí. Chỉ số được lựa chọn xác định là tổng vi khuẩn hiếu khí và nấm; đây là thành phần vi sinh phổ biến nhất trong không khí.
Môi trường phân lập là PCA (Plate Count Agar). Đây là môi trường đặc trưng để phân lập vi khuẩn hiếu khí và nấm. Môi trường được pha chế sẽ được tiến hành khử trùng và làm nguội đến 45o C và đổ vào các đĩa peptri có đường kính 9cm. Các đĩa được bảo quản và đưa đến các vị trí cần lấy mẫu. Tại mỗi vị trí tiến hành thu 2 mẫu (bằng máy lấy mẫu không khí Flora-100); xác định mật độ vi khuẩn và lấy giá trị trung bình. Chế độ chạy của máy là 250 l/phút. Các mẫu sau đó sẽ được bảo quản và đưa về phòng thí nghiệm, tiến hành nuôi cấy trong tủ nuôi cấy vi sinh với thời gian từ 24-48 h, sau đó đọc kết quả.
* Cách tính kết quả:
Sau khi kết thúc các công việc tính đếm trên bề mặt đĩa peptri, chuyển sang tính mật độ vi sinh để xác định số lượng vi khuẩn trong dòng không khí. Nếu số chấm trên đĩa petri nhỏ hơn < 35, thì mật độ vi sinh bằng chính số chấm trên đĩa. Nếu số chấm > 35 thì mật độ vi sinh (P) được tính theo công thức:
P= N*(1/N-1+1/N-2+…+1/N-n-1)
trong đó: – N: số lượng lỗ trên lưới sắt; n: số lượng vi sinh (số khuẩn lạc)
Mật độ vi sinh trong mẫu (C) được xác định = số lớn nhất các khuẩn lạc trong mẫu chia cho thể tích trong mẫu đã lựa chọn: C=P/V
trong đó: V- thể tích mẫu đã chọn (m3); P- số lượng lớn nhất vi khuẩn trong mẫu (cfu/m3)
2.4 Đánh giá khả năng ức chế sự phát triển của vi khuẩn của màng lọc PP phủ nano bạc sau thời gian chạy thử nghiệm
Đánh giá khả năng ức chế vi khuẩn bằng phương pháp đếm khuẩn lạc, tiến hành đối với màng lọc đối chứng và màng lọc nano bạc được chạy thử nghiệm trong thời gian 4 tuần tại điều kiện phòng làm việc, quy trình tiến hành như sau:
– Sau khi tiến hành chạy thử nghiệm màng lọc đối chứng (không chứa nano bạc) và màng lọc chứa nano bạc, tháo màng lọc và tiến hành cắt từ mỗi tấm lọc một mẫu với kích thước 3×3cm.
– Chuẩn bị 2 ống nghiệm chứa 10ml nước cất, cho mỗi mẫu lần lượt vào một ống nghiệm, sử dụng máy lắc Votex (lắc 10 lần, mỗi lần 5s) để thu dịch chiết vi sinh của mẫu.
– Hút 1ml dịch chiết của từng ống nghiệm và tiến hành nuôi cấy trong các đĩa thạch PCA thời gian 24-48 h, sau đó đọc kết quả.
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Thông số đặc trưng của các màng lọc không khí
Các thông số đặc trưng của các 4 loại màng lọc được liệt kê trong bảng 1 khi tiến hành chạy thử nghiệm với thiết bị có công suất quạt hút là 40W. Qua thử nghiệm, cho thấy màng lọc PP có độ dày lớn nhất (6mm) nhưng lại có tốc độ gió qua màng tốt nhất (1,11 m/s). Đây là một trong các tiêu chí để lựa chọn màng phù hợp sử dụng trong thiết bị;
Bảng 1. Thông số đặc trưng của 4 loại màng lọc
3.2. Khả năng diệt khuẩn của màng lọc sơ câp phủ nano bạc
3.2.1 Khả năng diệt khuẩn khi cho màng lọc nano bạc tiếp xúc trực tiếp với dịch vi khuẩn
Khi quan sát các kết quả của màng lọc sau khi phủ nano bạc, thấy có sự thay đổi về màu sắc của màng trước và sau phủ nano bạc. Các màng đều chuyển sang màu vàng sậm. Trên hình 4 là ảnh chụp các mẫu màng lọc trước và sau khi phủ nano bạc.
Bảng 2 trình bày hiệu suất kháng khuẩnE.coli của 4 loại màng trước và sau khi phủ nano bạc. Kết quả thu được cho thấy hiệu suất xử lý của các màng không phủ nano bạc là 0%.Cả 4 loại màng PU, PE,PP và xenlulo sau khi được phủ nano bạc bằng dung dịch nano bạc 500ppm đều đạt hiệu quả kháng khuẩn là 100% khi ngâm trong 10ml môi trường vi khuẩn E.coli 106 CFU/ml tại nhiệt độ phòng trong 24h.
3.2.2 Khả năng xử lý vi khuẩn trong không khí của các màng lọc khi cho dòng không khí đi qua
Thí nghiệm đánh giá khả năng “bắt giữ” vi khuẩn trong không khí và hiệu suất xử lý không khí của các màng sau khi cho không khí đi qua màng dựa trên các kết quả thu được về khả năng xử lý vi khuẩn trong không khí trong buồng kín 10 m3 của các loại màng xenlulo, PP, PE, PU không phủ và phủ nano bạc. Các kết quả về khả năng xử lý vi khuẩn trong không khí theo thời gian của các loại màng lần lượt được trình bày ở các bảng 3, 4, 5, 6. Với tất cả các loại màng, sau thời gian 120 phút, hiệu suất xử lý vi khuẩn đều đạt trên 90%. Khả năng giữ vi khuẩn của màng được giải thích dựa trên khả năng bắt giữ bụi của các loại màng, do các hạt bụi là môi trường sống của vi khuẩn, nấm trong không khí, khi không khí qua màng, các hạt bụi dễ dàng bị giữ lại bởi các sợi của màng lọc theo các nguyên lý lọc cơ học, kéo theo vi khuẩn và nấm cũng bị giữ lại. Theo thời gian, các lớp bụi tích tụ kéo theo sự tích tụ của vi khuẩn, nấm trên màng lọc, đồng thời làm giảm lưu lượng của không khí qua màng. Thí nghiệm về khả năng ức chế vi khuẩn của màng lọc sẽ đánh giá được hiệu quả của tấm lọc có phủ nano bạc trong việc giảm thiểu ô nhiễm trong các phòng kín.
3.2.3 Khả năng ức chế vi khuẩn, nấm của màng lọc PP sau khi phủ nano bạc sau thời gian 1 tháng chạy thử nghiệm
Thí nghiệm đánh giá khả năng ức chế sự phát triển của vi khuẩn bị bám lại trên màng lọc cùng với bụi trong khoảng thời gian 1 tháng thiết bị thử nghiệm được hoạt động liên tục trong điều kiện phòng làm việc.
Bảng 7 đưa ra kết quả về hiệu quả và hiệu suất ức chế sự phát triển vi khuẩn và nấm của màng lọc PP có phủ nano bạc so vơi mẫu đối chứng không phủ nano bạc. Từ kết quả có thể thấy khả năng ức chế sự phát triển của vi khuẩn đạt ~80% và hiệu quả ức chế sự phát triển của nấm đạt >80%. Kết quả này chứng tỏ khả năng hạn chế sự tích tụ các ổ khu trú vi sinh của vi khuẩn và nấm trên các tấm lọc có phủ nano bạc sau thời gian chạy thử nghiệm thiết bị. Tuy nhiên, do thời gian có hạn nên vẫn chưa khảo sát được tuổi thọ sử dụng của các tấm lọc để vẫn duy trì được khả năng ức chế vi khuẩn của màng lọc nhằm xác định thời hạn mà tấm cần được thay thế.
IV. KẾT LUẬN
Từ các kết quả thí nghiệm, cho thấy khả năng giữ vi khuẩn của cả 4 loại màng xenlulo, PP, PE, PU trước và sau khi phủ nano bạc đều đạt trên 90% khi tiến hành thử nghiệm trong buồng kín với thể tích 10m3 trong thời gian 120 phút. Với các màng có phủ nano bạc, hiệu quả xử lý vi khuẩn đạt 100% khi cho tiếp xúc trực tiếp với dịch vi khuẩn E.coli 106CFU/mL trong thời gian 24h, trong khi đó, các màng lọc không phủ nano bạc thì hiệu quả xử lý bằng 0%. Lựa chọn màng PP phủ nano bạc để tiến hành đánh giá khả năng ức chế vi khuẩn và nấm cho thấy, hiệu quả ức chế sự phát triển của vi khuẩn, nấm trên màng sau thời gian chạy thử nghiệm 1 tháng đạt ~80% đối với vi khuẩn và 83% đối với nấm.
Từ các kết quả trên, cho thấy các thông số của màng PP là phù hợp nhất để sử dụng làm màng lọc sơ cấp của thiết bị LSKK. Màng PP phủ nano bạc cũng cho thấy khả năng ức chế tốt sự phát triển của vi khuẩn, nấm trong thời gian dài chạy thử nghiệm.
Ghi chú: Công trình này được ủng hộ bởi dự án hợp tác Quốc tế Việt-Nga của Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam (VAST.HTQT.NGA.08/13-14)
TÀI LIỆU THAM KHẢO
- N. Q. Tuấn. Khảo sát ô nhiễm vi sinh trong không khí phòng phẫu thuật, phòng hồi sức ở một số bệnh viện tại Thành phố Hồ Chí Minh. Y học TP. Hồ Chí Minh. Tập 14, Phụ bản của số 2: 173-179 (2010).
- J. P. Obbard and L. S. Fang. Airborne concentrations of bacteria in a hospital environment in Singapore. Water, Air, and Soil Pollution 144: 333–341 (2003).
- M.D. Giulio, R. Grande, E.D. Campli, S.D. Bartilomeo, L. Cellini. Indoor air quality in university environments. Environ Monit Assess 170:509–517 (2010).
- F.C. Tsai, J.M. Macher and Y.Y. Hung. Concentrations of airborne bacteria in 100 U.S. office buildings. Proceedings: Indoor Air. 353-358 (2002).
- P. Reanprayoon and W. Yoonaiwong. Airborne concentrations of bacteria and fungi in Thailand border market. Aerobiologia 28:49–60 (2012).
- Nguyễn Việt Dũng. Nghiên cứu phát triển và ứng dụng hệ thống xử lý ô nhiễm không khí TIOKRAFT trên cơ sở vật liệu xúc tác quang TiO2. Báo cáo tổng kết nghiệm thu đề tài nghị định thư Việt Nam- LB Nga (2013).
- Lê Thanh Sơn, Nguyễn Hoài Châu, Nghiêm Thị Mây. Nghiên cứu chế tạo thiết bị xử lý ô nhiễm không khí trên cơ sở xúc tác quang hóa. Tạp chí hoạt động khoa học công nghệ. Số 4,5&6,18 -23 (2013).
- A.B.G. Lansdown. Silver in health care: Antimicrobial effects and safety in use. Curr. Probl. Dermatol, 33, 17-34 (2006).
- X. Chen, H. G. Schluesener. Nano silver: A nano product in medical application. Toxicol. Lett. 176,1-12 (2008).
10. Ngo Quoc Buu , Nguyen Hoai Chau, Tran Thi Ngoc Dung and Nguyen Gia Tien. Studies on manufacturing of topical wound dressings based on nanosilver produced by aqueous molecular solution method. J. Exp. Nanosci. 6(4) 409-421 (2011)
TS. Lê Thanh Sơn*, Quách Thị Ngọc Hà
(*): Viện Công nghệ Môi trường, Viện Hàn Lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam
(Nguồn tin: Nilp.vn)
