Giới thiệu dự án

Ô nhiễm nguồn nước do dư lượng dược phẩm, đặc biệt là kháng sinh nhóm Tetracycline (TCH), đang trở thành thách thức môi trường cấp bách trên phạm vi toàn cầu. Theo các thống kê dịch tễ học và môi trường, tổng lượng kháng sinh tiêu thụ trong chăn nuôi toàn cầu đạt mức 63.151 tấn vào năm 2010 và dự báo tăng 67% vào năm 2030. Tại Việt Nam, khảo sát thực địa ghi nhận dư lượng TCH trong nước thải trang trại chăn nuôi và hệ thống thoát nước đô thị (khu vực Hà Nội) lần lượt là 318,6 ng/L và 258,0 ng/L, minh chứng cho mức độ phát tán phổ biến của hợp chất này trong môi trường tiếp nhận.

Tetracycline Hydrochloride ($C_{22}H_{25}ClN_2O_8$, phân tử lượng $480,896\text{ g/mol}$) là kháng sinh phổ rộng có cấu trúc vòng napthacene carboxamide bền vững. Khi đi vào cơ thể người và động vật, khoảng 40% – 90% lượng TCH không được hấp thu mà bị bài tiết trực tiếp ra môi trường dưới dạng hợp chất gốc. Các công nghệ xử lý nước thải truyền thống (bùn hoạt tính, lắng keo tụ, lọc màng MBR thông thường) không thể phân hủy triệt để TCH, dẫn đến nguy cơ lan truyền gen kháng kháng sinh (AMR) - nguyên nhân được cảnh báo có thể gây tử vong cho 10 triệu người/năm vào năm 2050 và làm sụt giảm 1,1% – 3,8% GDP toàn cầu.

Nhằm giải quyết triệt để bài toán trên, đồ án tốt nghiệp tập trung nghiên cứu giải pháp: "Đánh giá khả năng xúc tác của $H_2O_2$ và $K_2S_2O_8$ cho quá trình Oxy hóa Tetracycline trên vật liệu C-Fe được tổng hợp từ bã đậu nành và quặng goethite" do nhóm sinh viên Huỳnh Nguyễn Cao Thông và Nguyễn Thảo Hà thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Duy Đạt (Khoa Công nghệ Hóa học & Thực phẩm, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM).

                                               [Hệ xúc tác: BC@Fe + H₂O₂]                      [Hệ xúc tác: BC@Fe + K₂S₂O₈]
                                               • Tạo gốc tự do ·OH (2.73 V)                    • Tạo gốc tự do SO₄·⁻ (2.5-3.1 V)
                                               • Hiệu suất: 88,9% (90 phút)                    • Hiệu suất: 83,4% (15 phút)

Mục tiêu nghiên cứu cụ thể

  1. Thiết lập quy trình tổng hợp vật liệu composite (BC@Fe): Tận dụng phụ phẩm bã đậu nành nông nghiệp và khoáng quặng goethite ($\alpha\text{-FeOOH}$) bằng kỹ thuật kết hợp nhiệt phân và thủy nhiệt (HTC).
  2. Tối ưu hóa các thông số vận hành quá trình oxy hóa bậc cao (AOPs): Đánh giá ảnh hưởng của pH ($2 - 10$), nồng độ chất oxy hóa ($20 - 100\text{ mM}$), nhiệt độ phản ứng ($30 - 50^\circ\text{C}$), và thời gian tiếp xúc đối với 2 tác nhân $H_2O_2$ (Fenton dị thể) và $K_2S_2O_8$ (Persulfate AOPs).
  3. Mô hình hóa động học và nhiệt động lực học: Xác định bậc phản ứng, hằng số tốc độ ($k$), năng lượng hoạt hóa ($E_a$), và các thông số nhiệt động lực học ($\Delta H^\circ, \Delta S^\circ, \Delta G^\circ$).
  4. Đánh giá độ bền và khả năng khoáng hóa: Khảo sát hiệu suất suy giảm qua 5 chu kỳ tái sử dụng, mức tiêu thụ chất oxy hóa và hiệu quả loại bỏ tổng cacbon hữu cơ (TOC).

Phạm vi và giới hạn nghiên cứu

  • Quy mô: Thực nghiệm gián đoạn (batch scale) tại phòng thí nghiệm trên nền nước thải tổng hợp chứa Tetracycline Hydrochloride ($C_0 = 50\text{ mg/L}$).
  • Nguồn nguyên liệu: Bã đậu nành thu gom từ cơ sở sản xuất thực phẩm địa phương; Goethite tổng hợp từ muối sắt $FeCl_3$ và $KOH$.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Hiện nay, các công nghệ xử lý kháng sinh trong nước thải tồn tại nhiều nhược điểm cố hữu về mặt chi phí và hiệu quả chuyển hóa:

Phương pháp Cơ chế chính Ưu điểm Nhược điểm / Hạn chế
Fenton đồng thể ($Fe^{2+}/H_2O_2$) Oxy hóa bằng gốc tự do $\cdot OH$ Phản ứng nhanh, chi phí hóa chất ban đầu thấp Tạo lượng lớn bùn thải $Fe(OH)_3$, dải pH hoạt động hẹp ($\text{pH } 2,8 - 3,5$), mất mát xúc tác
Hấp phụ than sinh học (Bare BC) Tương tác $\pi - \pi$, tĩnh điện, lỗ xốp Tận dụng sinh khối, vận hành đơn giản Chỉ chuyển pha ô nhiễm chứ không phân hủy, nhanh bão hòa dung lượng hấp phụ
Lọc màng sinh học (MBR) Phân hủy vi sinh + tách màng Nước đầu ra trong, loại bỏ tốt COD Bị ức chế bởi độc tính kháng sinh, tắc nghẽn màng (fouling), chi phí màng cao
Fenton dị thể BC@Fe (Đề tài đề xuất) Xúc tác bề mặt tạo $\cdot OH$ và $SO_4^{\cdot-}$ Dải pH thích ứng rộng, không tạo bùn sắt, xúc tác dễ thu hồi và tái sử dụng Cần tối ưu năng lượng chế tạo composite ban đầu

Phân loại yêu cầu kỹ thuật theo mô hình MoSCoW

  • Must have (Bắt buộc): Hiệu suất phân hủy TCH $\ge 80%$, không sinh bùn thứ cấp, cấu trúc hạt $\alpha\text{-FeOOH}$ phân tán đều không bị kết tụ.
  • Should have (Nên có): Tốc độ phản ứng nhanh ($< 30\text{ phút}$ đối với gốc sulfate), độ ổn định qua 5 chu kỳ tái sinh giữ trên $75%$ hoạt tính.
  • Could have (Có thể mở rộng): Khả năng khoáng hóa hoàn toàn thành $CO_2$ và $H_2O$ (hiệu suất TOC cao), ứng dụng trên đa dạng nền nước thải y tế thực tế.
  • Won't have (Chưa thực hiện đợt này): Lắp đặt hệ thống dòng chảy liên tục (continuous fixed-bed reactor) và phân tích định danh toàn bộ vết sản phẩm phân hủy trung gian bằng LC-MS/MS.

Thiết kế hệ thống và Cơ chế phản ứng

Vật liệu composite $BC@Fe$ đóng vai trò là chất kích hoạt dị thể (heterogeneous catalyst), thúc đẩy quá trình chuyển điện tử để bẻ gãy liên kết $O-O$ trong phân tử $H_2O_2$ hoặc $S_2O_8^{2-}$ tạo ra các gốc tự do có thế oxy hóa cực cao:

Phương trình phản ứng kích hoạt gốc tự do:

  1. Kích hoạt $H_2O_2$ trên bề mặt Goethite ($\alpha\text{-FeOOH}$): $$\equiv Fe^{III} - OH + H_2O_2 \rightarrow \equiv Fe^{II} + HO_2^\cdot + H^+ + H_2O$$ $$\equiv Fe^{II} + H_2O_2 \rightarrow \equiv Fe^{III} - OH + \cdot OH$$
  2. Kích hoạt $S_2O_8^{2-}$ bởi ion sắt và nhóm chức chứa oxy/electron tự do trên nền Carbon: $$\equiv Fe^{II} + S_2O_8^{2-} \rightarrow \equiv Fe^{III} + SO_4^{\cdot-} + SO_4^{2-}$$ $$BC_{electron} + S_2O_8^{2-} \rightarrow BC_{surface}^+ + SO_4^{\cdot-} + SO_4^{2-}$$
  3. Phân hủy chất ô nhiễm hữu cơ: $$\cdot OH / SO_4^{\cdot-} + TCH \rightarrow \text{Sản phẩm trung gian} \rightarrow CO_2 + H_2O + NH_4^+ / NO_3^- + Cl^-$$
+------------------------+--------------------------------------------------------------------+
| Thiết bị / Kỹ thuật    | Thông số & Model kỹ thuật áp dụng                                  |
+------------------------+--------------------------------------------------------------------+
| Lò nung nhiệt phân     | Nabertherm L5/11 (Đức), gia nhiệt đến 500°C, môi trường yếm khí    |
| Thiết bị thủy nhiệt    | Teflon-lined Stainless Steel Autoclave 100 mL, 200°C trong 2 giờ   |
| Kính hiển vi SEM       | Quanta FEG 250, điện thế gia tốc 10-15 kV                          |
| Nhiễu xạ tia X (XRD)   | D8 Advance Bruker, nguồn Cu-Kα (λ = 1.5406 Å), góc quét 2θ = 10-80°|
| Đo diện tích bề mặt    | BET Nova Station A (Quantachrome), hấp phụ N2 ở 77.35 K            |
| Đo quang phổ UV-Vis    | Shimadzu UV-1800, bước sóng cực đại λ_max = 357 nm                 |
| Máy đo TOC             | Shimadzu TOC-L CPH/CPN Analyzer                                     |
+------------------------+--------------------------------------------------------------------+

Phương pháp nghiên cứu (Methodology)

Nghiên cứu được triển khai theo quy trình thực nghiệm kiểm soát nghiêm ngặt từ khâu xử lý nguyên liệu, tổng hợp vật liệu đến đánh giá hiệu năng xúc tác:

                                                             [Phối trộn tỷ lệ 1:5, 1:9, 1:11]
                                                             [Thủy nhiệt Autoclave 200°C, 2h]
  • Mốc thời gian thực hiện: Từ 15/10/2023 đến 30/07/2024.
  • Đảm bảo chất lượng (QA/QC): Tất cả thí nghiệm xúc tác đều được lặp lại 3 lần ($n=3$), giá trị tính toán biểu diễn dưới dạng trung bình $\pm$ độ lệch chuẩn ($SD \le 5%$). Mẫu trắng (đối chứng) không có chất xúc tác và mẫu chỉ có chất hấp phụ bare BC được tiến hành song song.

Implementation và kết quả

Quy trình tổng hợp vật liệu (Synthesis Protocol)

  1. Điều chế than sinh học (BC): Bã đậu nành sau chế biến thực phẩm được rửa bằng nước cất để loại bỏ tạp chất hòa tan, sấy khô ở $105^\circ\text{C}$ trong 24 giờ. Sinh khối khô được nghiền mịn và nung nhiệt phân trong lò yếm khí ở $500^\circ\text{C}$ với tốc độ nâng nhiệt $10^\circ\text{C}/\text{phút}$, duy trì trong 2 giờ.
  2. Điều chế quặng Goethite ($\alpha\text{-FeOOH}$): Hòa tan $FeCl_3 \cdot 6H_2O$ trong nước cất, nhỏ từ từ dung dịch $KOH\text{ 5M}$ đến khi pH đạt 12 để tạo kết tủa ferrihydrite, sau đó ủ ở $70^\circ\text{C}$ trong 60 giờ để tinh thể hóa hoàn toàn thành pha goethite dạng kim.
  3. Tổng hợp Composite $BC@Fe$ bằng Thủy nhiệt: Phối trộn than sinh học $BC$ với goethite theo các tỷ lệ khối lượng sắt/than khác nhau (kí hiệu $BC@Fe5$, $BC@Fe9$, $BC@Fe11$). Hỗn hợp được chuyển vào bình Teflon Autoclave và xử lý thủy nhiệt ở $200^\circ\text{C}$ trong 2 giờ. Sản phẩm rắn được lọc, rửa trung tính bằng ethanol/nước cất và sấy khô ở $80^\circ\text{C}$.

Đặc tính hóa lý của vật liệu (Characterization Evidence)

  • Diện tích bề mặt riêng (BET): Phân tích đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ $N_2$ cho thấy diện tích bề mặt riêng của mẫu $BC@Fe11$ đạt $33,7369\text{ m}^2/\text{g}$, vượt trội so với than sinh học thông thường ($BC$). Cấu trúc mao quản trung bình (mesoporous) tạo điều kiện thuận lợi cho sự khuếch tán của phân tử TCH vào tâm xúc tác.
  • Nhiễu xạ tia X (XRD): Giản đồ XRD của vật liệu $BC@Fe11$ xuất hiện các đỉnh nhiễu xạ đặc trưng tại các mặt mạng tinh thể (110), (130), (111), (140) và (221) tương ứng với cấu trúc chuẩn của khoáng Goethite ($\alpha\text{-FeOOH}$), khẳng định pha sắt đã gắn kết chặt chẽ lên khung cacbon mà không bị biến tính tiêu cực trong quá trình thủy nhiệt.
  • Kính hiển vi điện tử quét (SEM): Ảnh SEM minh chứng nền than sinh học bã đậu nành sở hữu mạng lưới lỗ xốp đồng đều, các hạt nano goethite phân bố rải rác và bám dính chắc chắn trên bề mặt, khắc phục hoàn toàn hiện tượng tự kết tụ của oxit sắt vô cơ.

Hiệu suất phân hủy và Động học phản ứng

Thực nghiệm khảo sát tại điều kiện tối ưu: nồng độ TCH ban đầu $C_0 = 50\text{ mg/L}$, liều lượng xúc tác $1,0\text{ g/L}$, nồng độ tác nhân oxy hóa $60\text{ mM}$, $\text{pH } 2,0$, nhiệt độ $30^\circ\text{C}$ ($303\text{ K}$):

+--------------------+--------------------------------+--------------------------------+
| Mẫu xúc tác        | Hệ Fenton (BC@Fe + H₂O₂)       | Hệ Persulfate (BC@Fe + K₂S₂O₈) |
|                    | Hiệu suất (%) sau 90 phút      | Hiệu suất (%) sau 15 phút      |
+--------------------+--------------------------------+--------------------------------+
| BC@Fe5             | 61,5%                          | 62,3%                          |
| BC@Fe9             | 81,4%                          | 81,2%                          |
| BC@Fe11            | 88,9%                          | 83,4%                          |
+--------------------+--------------------------------+--------------------------------+

       Hiệu suất phân hủy Tetracycline (%) theo thời gian phản ứng
      0      15             30             45             60             90 (phút)
  • Mô hình động học: Dữ liệu thực nghiệm phân hủy TCH trên cả hai hệ xúc tác $H_2O_2$ và $K_2S_2O_8$ đều tương thích hoàn hảo với mô hình động học giả bậc hai (Pseudo-second-order kinetic model) với hệ số tương quan tuyến tính $R^2 > 0,99$: $$\frac{t}{C_t} = \frac{1}{k_2 C_e^2} + \frac{1}{C_e} t$$
  • Nhiệt động lực học phản ứng:
    • $\Delta H^\circ > 0$ ($+45,2\text{ kJ/mol}$ đối với $H_2O_2$; $+38,7\text{ kJ/mol}$ đối với $K_2S_2O_8$): Bản chất phản ứng thu nhiệt, tăng nhiệt độ làm tăng tốc độ phân hủy.
    • $\Delta S^\circ > 0$: Quá trình làm gia tăng độ hỗn loạn tại ranh giới pha rắn - lỏng do sự phân cắt phân tử TCH thành các mảnh nhỏ hơn.
    • $\Delta G^\circ < 0$ (ở $303\text{ K}$): Quá trình oxy hóa diễn ra tự phát về mặt nhiệt động lực học.

Độ ổn định và Khả năng tái sử dụng (Reusability & TOC Removal)

+--------------------+----------------------+------------------------------------------+
| Chu kỳ tái sinh    | Hệ BC@Fe11 + H₂O₂    | Hệ BC@Fe11 + K₂S₂O₈                      |
|                    | Hiệu suất phân hủy   | Hiệu suất phân hủy                       |
+--------------------+----------------------+------------------------------------------+
| Chu kỳ 1 (Ban đầu) | 89,6%                | 84,9%                                    |
| Chu kỳ 2           | 87,8%                | 82,1%                                    |
| Chu kỳ 3           | 85,3%                | 79,8%                                    |
| Chu kỳ 4           | 83,1%                | 77,9%                                    |
| Chu kỳ 5           | 81,7% (Giữ 91,2%)    | 76,5% (Giữ 90,1%)                        |
+--------------------+----------------------+------------------------------------------+

Độ suy giảm hoạt tính sau 5 chu kỳ là không đáng kể ($< 8%$), chứng minh liên kết bền vững giữa hạt nano $\alpha\text{-FeOOH}$ và chất mang sinh khối, hạn chế tối đa sự rửa trôi ion sắt vào dung dịch ($Fe_{\text{leached}} < 0,15\text{ mg/L}$, nằm sâu dưới ngưỡng quy chuẩn xả thải QCVN 40:2011/BTNMT). Hiệu suất khử khoáng hóa TOC đạt $42,6%$ (với $H_2O_2$) và $48,1%$ (với $K_2S_2O_8$), khẳng định phần lớn phân tử kháng sinh đã bị bẻ gãy cấu trúc độc tính thành các acid hữu cơ mạch ngắn và khoáng hóa.

Đổi mới và đóng góp

  1. Khai thác kinh tế tuần hoàn từ phụ phẩm nông nghiệp: Tận dụng triệt để bã đậu nành - nguồn thải hữu cơ phát sinh hơn $800.000\text{ tấn/năm}$ tại Việt Nam - làm chất nền carbon dẫn truyền điện tử, thay thế các vật liệu đắt tiền như carbon nanotubes (CNT) hay graphene oxide.
  2. Kỹ thuật tổng hợp xanh 2 giai đoạn (Nhiệt phân + Thủy nhiệt): Việc kết hợp thủy nhiệt ở $200^\circ\text{C}$ giúp tái cấu trúc bề mặt than sinh học, tạo mạng lưới nhóm chức chứa oxy phong phú và cố định hạt nano $\alpha\text{-FeOOH}$ với kích thước đồng đều, chống kết tụ mà không cần sử dụng hóa chất hoạt hóa độc hại.
  3. So sánh toàn diện cơ chế oxy hóa kép ($\cdot OH$ vs $SO_4^{\cdot-}$):
    • Tác nhân $K_2S_2O_8$ thể hiện động học phân hủy siêu tốc ($83,4%$ chỉ trong 15 phút) nhờ gốc sulfate ($SO_4^{\cdot-}$) có thời gian bán hủy dài hơn ($30 - 40\text{ }\mu\text{s}$) và tính chọn lọc cao.
    • Tác nhân $H_2O_2$ đạt hiệu suất đỉnh cao hơn ($88,9%$ trong 90 phút) với chi phí hóa chất rẻ hơn, phù hợp cho xử lý hoàn thiện (polishing stage).
  4. Đóng góp khoa học: Cung cấp bộ dữ liệu thực nghiệm chuẩn xác về hằng số tốc độ động học bậc 2, năng lượng hoạt hóa và cân bằng nhiệt động cho hệ xúc tác dị thể khoáng sắt tự nhiên trên nền than sinh học biến tính.

Ứng dụng thực tế và triển khai

+----------------------------------------------------------------------------------------------------+
| SƠ ĐỒ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHỨA KHÁNG SINH TẠI TRẠM XỬ LÝ                           |
+----------------------------------------------------------------------------------------------------+
                                              [Tái sinh xúc tác & Tuần hoàn lại bể AOPs]

Kịch bản ứng dụng thực tế

  • Trạm xử lý nước thải bệnh viện & nhà máy sản xuất thuốc thú y: Tích hợp bể phản ứng xúc tác dị thể AOPs vào giai đoạn tiền xử lý (để cắt mạch kháng sinh, loại bỏ độc tính trước khi vào bể sinh học) hoặc giai đoạn xử lý bậc ba (để khử triệt để vết dược phẩm).
  • Trang trại chăn nuôi heo/bò quy mô công nghiệp: Xử lý nước sau hầm Biogas nhằm giải quyết triệt để dư lượng kháng sinh trộn trong thức ăn gia súc.

Đánh giá hiệu quả kinh tế (Cost-Benefit Analysis)

  • Chi phí nguyên liệu thô: Bã đậu nành có chi phí gần như bằng 0 đồng; quặng goethite tự nhiên rẻ hơn $80%$ so với hóa chất muối sắt tinh khiết hoặc kim loại quý ($Pt, Pd, Ru$).
  • Chi phí bùn thải: Giảm $65% – 80%$ chi phí xử lý bùn nguy hại so với phương pháp Fenton truyền thống nhờ ngăn chặn hiện tượng tạo bùn kết tủa $Fe(OH)_3$.
  • Thời gian hoàn vốn (ROI): Ước tính các trang trại và nhà máy dược có thể thu hồi vốn đầu tư hệ thống phản ứng AOPs dị thể trong vòng 14 – 18 tháng thông qua tiết kiệm hóa chất và phí bảo vệ môi trường.

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật

  • Khảo sát thực nghiệm mới chỉ dừng lại ở quy mô phòng thí nghiệm (nồi phản ứng $250\text{ mL}$ dạng mẻ) với dung dịch nước cất pha TCH đơn cấu tử.
  • Chưa khảo sát sâu ảnh hưởng cạnh tranh gốc tự do của các ion vô cơ phổ biến trong nước thải thực tế ($Cl^-, HCO_3^-, NO_3^-, SO_4^{2-}$) và chất hữu cơ tự nhiên (Humic acid).
  • Chưa trang bị thiết bị sắc ký khối phổ phân giải cao (HR-MS) để định danh chi tiết các sản phẩm chuyển hóa trung gian và đánh giá độc tính tế bào (cytotoxicity) của dòng thải sau xử lý.

Hướng phát triển tiếp theo

  1. Thử nghiệm trên mô hình cột phản ứng dòng chảy liên tục (continuous fixed-bed reactor) với nước thải thực tế từ bệnh viện và trại chăn nuôi.
  2. Nghiên cứu biến tính pha tạp dị nguyên tố (doping $N, S, P$) lên khung than sinh học nhằm tăng cường mật độ electron tự do, nâng cao hiệu suất hoạt hóa ở pH trung tính ($pH = 6 - 8$).
  3. Ứng dụng kỹ thuật mô phỏng hóa học tính toán (DFT) để làm rõ cơ chế chuyển điện tử giữa tâm Fe(III) và khung carbon ở mức độ phân tử.

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên & Học viên chuyên ngành Môi trường/Hóa học: Cung cấp tài liệu tham khảo hoàn chỉnh về quy trình thực nghiệm tổng hợp vật liệu nano-carbon, phương pháp đo quang phổ UV-Vis, xử lý dữ liệu động học và nhiệt động học phản ứng.
  • Kỹ sư vận hành & Thiết kế công nghệ: Cung cấp thông số công nghệ thực tế (tỷ lệ phối trộn $BC@Fe11$, liều lượng tác nhân $60\text{ mM}$, thời gian phản ứng $15 - 90\text{ phút}$) để tính toán thiết kế module AOPs tiền xử lý nước thải y tế.
  • Doanh nghiệp dược phẩm & Chủ trang trại: Sở hữu giải pháp công nghệ giá thành thấp, tận dụng nguồn phụ phẩm sẵn có để đạt chuẩn xả thải môi trường, tránh rủi ro pháp lý và nâng cao uy tín thương hiệu xanh.
  • Cộng đồng nghiên cứu khoa học: Bổ sung cơ sở dữ liệu thực nghiệm về cơ chế hoạt hóa Persulfate/Hydrogen Peroxide trên nền xúc tác composite nguồn gốc sinh khối.

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật cốt lõi để triển khai hệ thống xúc tác BC@Fe quy mô thực tế là gì?

Cần trang bị bể phản ứng khuấy trộn cơ học (hoặc sục khí phân tán) làm bằng vật liệu chịu ăn mòn axit (nhựa composite FRP hoặc Inox 316), hệ thống định lượng châm hóa chất ($H_2O_2$ hoặc $K_2S_2O_8$), bể lắng thu hồi hạt xúc tác và thiết bị kiểm soát pH tự động.

2. Vật liệu BC@Fe có bị rửa trôi sắt ra nguồn nước gây ô nhiễm thứ cấp không?

Nhờ quá trình thủy nhiệt ở $200^\circ\text{C}$, các hạt nano goethite được liên kết chặt chẽ vào khung carbon mesoporous. Nồng độ sắt hòa tan rò rỉ sau phản ứng đo được luôn $< 0,15\text{ mg/L}$, thấp hơn nhiều so với giới hạn cho phép của QCVN 40:2011/BTNMT ($5\text{ mg/L}$ đối với Fe tổng).

3. Có thể tích hợp quy trình này vào hệ thống xử lý nước thải hiện hữu không?

Hoàn toàn khả thi. Module AOPs dị thể $BC@Fe$ có thể lắp đặt nối tiếp ngay sau bể lắng bậc 1 (đóng vai trò tiền xử lý phá vỡ độc tính kháng sinh) hoặc đặt tại cụm xử lý bậc 3 (polishing step) trước khi xả ra nguồn tiếp nhận mà không làm xáo trộn các công trình sinh học sẵn có.

4. Quy trình bảo trì và tái sinh vật liệu xúc tác sau nhiều chu kỳ vận hành như thế nào?

Sau mỗi chu kỳ, hạt xúc tác $BC@Fe$ được tách lắng bằng trọng lực hoặc ly tâm, rửa nhẹ bằng ethanol loãng hoặc nước ấm ($50^\circ\text{C}$) để giải hấp phụ các hợp chất hữu cơ bám trên bề mặt, sau đó sấy khô hoặc tái sử dụng trực tiếp mà không cần hoàn nguyên hóa chất phức tạp.

5. Giữa $H_2O_2$ và $K_2S_2O_8$, hệ tác nhân nào tối ưu hơn về mặt chi phí và vận hành?

Hệ $K_2S_2O_8$ vượt trội về tốc độ phản ứng ($83,4%$ trong 15 phút), phù hợp cho các hệ thống yêu cầu diện tích xây dựng nhỏ và thời gian lưu nước ngắn. Hệ $H_2O_2$ có chi phí hóa chất thấp hơn khoảng $30% – 40%$ và đạt hiệu suất phân hủy tối đa cao hơn ($88,9%$ trong 90 phút), thích hợp cho các trạm xử lý có dung tích bể phản ứng lớn.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp đã chứng minh tính khả thi vượt trội của việc chuyển hóa phụ phẩm nông nghiệp (bã đậu nành) và khoáng quặng goethite thành vật liệu composite $BC@Fe$ có hoạt tính xúc tác cao. Với hiệu suất phân hủy Tetracycline đạt $88,9%$ (với $H_2O_2$) và $83,4%$ (với $K_2S_2O_8$), cùng khả năng duy trì hoạt tính bền bỉ qua 5 chu kỳ tái sinh, nghiên cứu mở ra hướng đi bền vững, chi phí thấp cho bài toán loại bỏ dư lượng kháng sinh khó phân hủy sinh học trong nước thải y tế và nông nghiệp.

Quý độc giả, kỹ sư môi trường và doanh nghiệp quan tâm đến quy trình tổng hợp vật liệu cũng như giải pháp tích hợp công nghệ AOPs dị thể có thể tham khảo chi tiết báo cáo đồ án hoặc liên hệ nhóm nghiên cứu tại Bộ môn Công nghệ Kỹ thuật Môi trường – Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM để hợp tác thử nghiệm và chuyển giao công nghệ.