I. Tổng quan về nanocomposite MgFe2O4 WO3 rGO
Nanocomposite MgFe2O4/WO3/rGO là một vật liệu tiên tiến được nghiên cứu để ứng dụng trong lĩnh vực xử lý nước thải. Sự kết hợp giữa MgFe2O4, WO3, và rGO tạo ra một chất xúc tác quang học hiệu quả, có khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ khó phân hủy như kháng sinh trong nước. Công nghệ nanocomposite này không chỉ cải thiện hiệu suất quang xúc tác mà còn giải quyết vấn đề tách và thu hồi chất xúc tác sau quá trình xử lý nhờ tính chất từ của MgFe2O4.
1.1. Cấu trúc và tính chất của MgFe2O4 WO3 và rGO
MgFe2O4 là một loại spinel ferrite có tính chất từ và dải năng lượng hẹp (2.0 eV), giúp hấp thụ ánh sáng khả kiến hiệu quả. WO3 là một chất bán dẫn có khả năng hấp thụ ánh sáng trong vùng UV-Vis, thường được sử dụng trong các ứng dụng quang xúc tác. rGO (reduced graphene oxide) có diện tích bề mặt lớn và độ dẫn điện cao, giúp tăng cường hiệu suất quang xúc tác bằng cách giảm tỷ lệ tái hợp của các hạt tải điện.
1.2. Cơ chế hoạt động của nanocomposite
Nanocomposite MgFe2O4/WO3/rGO hoạt động dựa trên cơ chế Z-scheme, trong đó các electron được chuyển từ vùng dẫn của WO3 sang vùng hóa trị của MgFe2O4, giảm thiểu sự tái hợp của các hạt tải điện. Điều này tạo ra các reactive oxygen species (ROS) như hydroxyl radical (HO•) và superoxide radical (O2-•), có khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ như Ciprofloxacin (CIP) thành CO2 và H2O.
II. Ứng dụng của nanocomposite trong phân hủy kháng sinh
Ứng dụng nanocomposite MgFe2O4/WO3/rGO trong phân hủy kháng sinh trong nước đã được chứng minh là một phương pháp hiệu quả. Ciprofloxacin (CIP), một loại kháng sinh phổ biến, được chọn làm mô hình để đánh giá hiệu suất của chất xúc tác. Quá trình phân hủy CIP được thực hiện dưới ánh sáng khả kiến, với hiệu suất loại bỏ đạt trên 90% trong điều kiện tối ưu.
2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất phân hủy
Các yếu tố như pH, liều lượng chất xúc tác, và nồng độ ban đầu của CIP đều ảnh hưởng đến hiệu suất phân hủy. Nghiên cứu cho thấy, nanocomposite đạt hiệu suất cao nhất ở pH trung tính, với liều lượng chất xúc tác tối ưu là 1 g/L. Nồng độ ban đầu của CIP cũng ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng, với nồng độ thấp cho hiệu suất cao hơn.
2.2. Cơ chế phân hủy và động học phản ứng
Cơ chế phân hủy CIP được nghiên cứu thông qua việc sử dụng các chất bẫy gốc tự do như t-BuOH để xác định vai trò của các ROS. Kết quả cho thấy, hydroxyl radical (HO•) đóng vai trò chính trong quá trình phân hủy. Động học phản ứng tuân theo mô hình bậc nhất giả, với hằng số tốc độ phản ứng cao, chứng tỏ hiệu quả của nanocomposite trong việc phân hủy CIP.
III. Đánh giá tính ổn định và khả năng tái sử dụng
Tính ổn định và khả năng tái sử dụng của nanocomposite MgFe2O4/WO3/rGO là những yếu tố quan trọng trong ứng dụng thực tế. Nghiên cứu cho thấy, sau ba chu kỳ sử dụng, hiệu suất phân hủy CIP của nanocomposite vẫn duy trì ở mức cao, chứng tỏ tính ổn định và bền vững của vật liệu. Tác dụng của nanocomposite không bị suy giảm đáng kể sau nhiều lần sử dụng, nhờ vào tính chất từ của MgFe2O4 giúp dễ dàng thu hồi và tái sử dụng.
3.1. Phương pháp thu hồi và tái sử dụng
Nhờ tính chất từ của MgFe2O4, nanocomposite có thể dễ dàng được thu hồi bằng cách sử dụng nam châm ngoài. Sau khi thu hồi, vật liệu được rửa sạch và sấy khô để tái sử dụng. Kết quả cho thấy, hiệu suất phân hủy CIP vẫn duy trì ở mức cao sau ba chu kỳ, chứng tỏ khả năng tái sử dụng hiệu quả của nanocomposite.
3.2. Đánh giá độ bền của vật liệu
Các phân tích SEM và EDX sau mỗi chu kỳ sử dụng cho thấy, cấu trúc và thành phần của nanocomposite không bị thay đổi đáng kể. Điều này chứng tỏ độ bền cao của vật liệu, đảm bảo hiệu suất ổn định trong các ứng dụng thực tế.
